第六章 基因的表达与调控(上)-原核基因表达调控模式

第一节原核基因表达调控总论1.组成型蛋白质（constitutiveprotein）

在代谢过程中十分必需的酶或蛋白质，其合成速率不受环境变化或代谢状态的影响。2.适应型或调节型蛋白质（adaptiveorregulatedprotein）这类蛋白质的合成速率明显地受环境的影响而改变。3.基因表达（geneexpression）以RNA为模板翻译成蛋白质的过程。

4.基因表达调控（generegulationorcontrol）对基因表达过程的调节。5.基因表达调控主要表现在以下两个方面：（1）转录水平上的调控（transcriptionalregulation）（2）转录后水平上的调控（post-transcriptionalregulation）

包括：

①mRNA加工成熟水平上的调控②翻译水平上的调控

6.原核生物与真核生物转录及翻译调控的不同（1）原核生物中，营养状况和环境因素对基因表达起着举足轻重的影响。（2）在高等真核生物中，激素水平和发育阶段是基因表达调控的主要手段，营养状况和环境因素的影响不大。（3）原核生物的转录与翻译几乎同时发生，即转录与翻译相偶联。（4）真核生物中，转录产物只有从核内运到核外，才能被核糖体翻译成蛋白质。一.原核生物调控机制的类型与特点1.原核生物基因表达调控模型——操纵子模型操纵子（operon）：由几个相关的结构基因及其控制区组成，是基因表达的协同单位。操纵子的两个类型：诱导型阻遏型2.原核生物的基因调控主要发生在转录水平上，分为负转录调控和正转录调控。（1）在负转录调控中，调节基因的产物是组遏蛋白，起着阻止结构基因转录的作用。

①负控诱导

正常情况下基因不表达或表达水平低，在环境改变或诱导物存在时，才开放转录。（乳糖操纵子、半乳糖操纵子）②负控组遏正常情况下开放，当阻遏物出现时操纵子关闭。（色氨酸操纵子、组氨酸操纵子）（2）在正转录调控中，调节基因的产物是激活蛋白。

①正控诱导系统效应物分子（诱导物）的存在使激活蛋白处于活性状态。

②正控组遏系统效应物分子（诱导物）的存在使激活蛋白处于非活性状态。二.操纵子(operon)的基本组成1.结构基因（structuralgene,SG

）操纵子中被调控的编码蛋白质的基因。2.启动子(promoter,P)是指能被RNA聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段DNA序列。操纵子至少有一个启动子，一般在第一个结构基因5՛侧上游，控制整个结构基因群的转录。3.操纵区（operator，O）是指能被调控蛋白特异性结合的一段DNA序列，常与启动子邻近或与启动子序列重叠，当调控蛋白结合在操纵子序列上，会影响其下游基因转录的强弱。4.调控基因（regulatorygene）是编码能与操纵序列结合的调控蛋白的基因。与操纵子结合后能减弱或阻止其调控基因转录的调控蛋白称为阻遏蛋白（repressiveprotein），其介导的调控方式称为负性调控（negativeregulation）；与操纵子结合后能增强或起动其调控基因转录的调控蛋白称为激活蛋白（activatingprotein），所介导的调控方式称为正性调控（positiveregulation）。5.终止子（terminator，T）是给予RNA聚合酶转录终止信号的DNA序列。在一个操纵元中至少在结构基因群最后一个基因的后面有一个终止子。

第二节乳糖操纵子与负控诱导系统一.大肠杆菌乳糖操纵子的组成由三个结构基因和一个调节基因、操纵基因、启动子构成：Z基因——编码b-半乳糖苷酶Y基因——编码b-半乳糖苷透性酶A基因——编码b-半乳糖苷乙酰化酶调节基因I——编码阻遏蛋白操纵基因Ｏ启动子P二.酶的诱导——lac体系受调控的证据当培养基中无乳糖及其它诱导物时，抑制基因表达产生阻遏蛋白，与操纵基因结合，阻止结合在启动子上的RNA聚合酶向前移动，转录不能进行；当培养基中有乳糖及其它诱导物时，诱导物与阻遏蛋白结合而不能与操纵基因结合，基因转录。主要诱导物是乳糖

三.影响因子1.

阻遏物lacI基因产物及功能（1）lacI转录产生阻遏物单体，结合形成同源四体。（2）lacI同源四体与O区DNA相结合，阻遏基因转录。2.葡萄糖对lac操纵子的影响当细菌在含有葡萄糖和乳糖的培养基中生长时，通常优先利用葡萄糖而不利用乳糖；只有当葡萄糖耗尽后，经一段停滞期，在乳糖诱导下β-半乳糖苷酶开始合成，细菌才能充分利用乳糖的现象。大肠杆菌生长在含葡萄糖的培养基上时，β-半乳糖苷酶等分解代谢的活性很低，研究发现cAMP能解除葡萄糖的阻遏作用3.cAMP与代谢物激活蛋白CRP-环腺苷酸受体蛋白cAMP-环一腺苷酸当CRP与cAMP结合后酶被活化，作用于启动子前的CRP结合位点上，使RNA聚合酶容易结合到启动子上，促进转录的进行。四.半乳糖苷酶基因表达的条件：CRP结合位点——CRP与cAMP结合，使RNA聚合酶识别-35和-10区；启动子识别——RNA聚合酶识别启动子序列；操纵基因——阻遏蛋白结合乳糖或类似物五.结构基因转录的调控方式：负调控——没有调节蛋白时操纵子内结构基因表达，加入调节蛋白后操纵子内结构基因的活性被关闭。（阻遏蛋白对乳糖操纵子的负调控）正调控——没有调节蛋白时结构基因的活性关闭，加入调节调节蛋白后结构基因的活性被开启。（cAMP-CRP是一个正调节因子）

第三节色氨酸操纵子与负控诱导系统

一.大肠杆菌trp操纵子的组成由七个结构基因和一个调节基因、操纵基因、启动子、前导区、

弱化子区构成：E和G基因—编码邻氨基苯甲酸合成酶D基因—编码邻氨基苯甲酸磷酸核糖转移酶A和B基因—分别编码色氨酸合成酶的α、b亚基调节基因R—编码辅阻遏蛋白，距trp基因簇很远操纵基因Ｏ启动子P

前导区trpL弱化子区trpα

二.

trp操纵子的阻遏系统1.trpR基因突变常引起trpmRNA的组成型合成，该基因产物因此被称为辅阻遏蛋白。辅阻遏蛋白与色氨酸相结合形成有活性的阻遏物，与操纵区结合并关闭trpmRNA的转录。2.当培养基中色氨酸含量较高时，它与游离的辅阻遏蛋白相结合，并使之与操纵区DNA紧密结合，关闭trpmRNA的转录。3.当培养基中色氨酸供应不足时，辅阻遏物失去色氨酸并从操纵区上解离，trp操纵子去阻遏，trpmRNA开始转录。

三.

弱化子与前导肽1.

弱化子位于trpmRNA5ˊ端trpE基因的起始密码前，调节已启动转录的trp操纵子是否继续下去的特定区域。(1)粗调开关阻遏-操纵机制，主管转录是否启动(2)细微调控决定已启动的转录是否继续下去，色氨酸的浓度起决定作用。

2.前导区在trpmRNA5，端trpE基因的起始密码前长162bp的mRNA片段。参与操纵子的转录弱化机制。3.

mRNA前导区的序列分析4.

转录弱化作用

第四节其它操纵子

一.半乳糖操纵子1.半乳糖操纵子的组成由三个结构基因和一个调节基因、操纵基因、启动子构成：E基因——编码半乳糖苷异构酶T基因——编码半乳糖1-磷酸尿嘧啶核苷转移酶K基因——编码b-半乳激酶调节基因R——编码阻遏蛋白操纵基因Ｏ启动子P2.

半乳糖操纵子与乳糖操纵子的不同（1）二者三个结构基因编码的产物不同。（2）半乳糖操纵子调节基因R与结构基因E、T、K基因簇距离很远；乳糖操纵子的调节基因I与结构基因Y、Z、A只隔一个操纵区和启动区。（3）半乳糖操纵子有两个启动子，mRNA从两个不同的起始点开始转录；乳糖操纵子只有一个启动子，mRNA只能从一个起始点开始转录。（4）半乳糖操纵子有两个O区，不在P区与结构基因之间，一个在P区上游-67~-53的地方，另一个在结构基因E的内部；乳糖操纵子只有一个O区，在P区与结构基因之间

（5）半乳糖操纵子的主要诱导物是半乳糖；乳糖操纵子的主要诱导物是乳糖。

3.

cAMP-CRP对gal启动子的作用（1）cAMP-CRP对从S1和S2起始的转录有不同的作用。从S1起始的转录只有在培养基中无葡萄糖时才能顺利进行，RNA聚合酶与S1的结合需要半乳糖、CRP和较高浓度的cAMP；从S2起始的转录则完全依赖于葡萄糖，高水平的cAMP-CRP能抑制从S2起始的转录。（2）当有cAMP-CRP时，转录从S1开始，当无cAMP-CRP时，转录从S2开始。cAMP-CRP有利于RNA聚合酶-S1复合物形成开链构象，从而起始基因转录。同时，由于S1和S2的核苷酸部分重叠，这一复合物的存在干扰了RNA聚合酶-S2复合物的形成，抑制从S2起始的转录。

4.双启动子的生理功能半乳糖不仅可以作为惟一的碳源供细胞生长，还是大肠杆菌细胞壁组成物质—尿苷二磷酸半乳糖的前体。当培养基中有葡萄糖存在时，不依赖于cAMP-CRP的启动子S2进行本底水平的组成型合成；当培养基中无葡萄糖时，半乳糖诱导依赖于cAMP-CRP的启动子S1进行高水平的合成。

二.阿拉伯糖操纵子1.阿拉伯糖操纵子的组成（1）三个结构基因：araB、araA、araD，简写为araBAD。araB—核酮糖激酶

araA—L-阿拉伯糖异构酶araD—L-核酮糖-5-磷酸-4-差向异构酶（2）与araBAD相邻的是一个复合的启动子区域、两个操纵区（O1，O2）和一个调节基因araC。

2.araC蛋白同时显示正、负调节因子的功能。而在lac和gal操纵子中，阻遏蛋白只能作为负调节因子，cAMP-CRP只能作为正调节因子。3.araBAD和araC基因的转录是分别在两条连上以相反的方向进行。araBAD基因簇从启动子PBAD开始向向左右进行转录，而araC基因则从Pc向左转录。

4.

araC蛋白的正、负调节作用（1）当体系中葡萄糖水平较高，阿拉伯糖葡萄糖水平较低，araC蛋白起负调节作用。（2）当体系无葡萄糖存在，只有阿拉伯糖时，ara