第7章 原核生物基因表达的调控

第七章

原核生物基因表达的调控基因表达调控的基本概念乳糖操纵子色氨酸操纵子其它操纵子转录后水平的调控本章主要内容1基因表达调控的基本概念基因表达（geneexpression）:基因转录及翻译的过程，或基因指导下RNA和蛋白质的合成过程。

rRNA、tRNA编码基因转录合成RNA的过程也属于基因表达组成性表达(constitutiveexpression)：不易受环境变化而变化的一类基因的表达。

基因的差别表达(differentialgeneexpression):

在个体发育中，某些基因在特定条件下才进行表达，而另一些基因在该条件下却关闭。基因表达的时、空特异性时间特异性（temporalspecificity）：某些基因的表达严格按照特定的时间顺序进行。空间特异性(spatialspecificity)：某些基因在个体不同组织细胞中按照一定的顺序表达。又称细胞或组织特异性(cellortissuespecificity)。持(看)家基因(housekeepinggenes):始终或经常性开启的基因,是维持细胞基本生命活动所必须的，如编码组成性蛋白的基因。

奢侈基因（luxurygene），指编码组织特异性蛋白的基因(tissue-specificgene)

，对细胞分化有重要影响，如角蛋白基因、肌动蛋白基因和血红蛋白基因等。

基因表达调控的意义：适应环境、维持个体的生长发育、分化和增殖。基因表达的调控水平：转录水平（transcriptionalregulation）的调控；转录后水平（post-transcriptionalregulation）的调控（RNA加工水平上的调控；翻译水平上的调控）。组成性酶与诱导酶组成性酶：不经诱导就经常而大量地存在于细胞中。诱导酶：需经诱导才能（大量）产生。调节蛋白（转录调节因子）：由调节基因所编码的蛋白因子。负调节蛋白：阻遏蛋白正调节蛋白：激活蛋白

根据操纵子对调节蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）的应答情况，可分为：正转录调控（正控制）和负转录调控（负控制）。2大肠杆菌的乳糖操纵子2.1二度生长现象（葡萄糖效应，降解物阻遏效应）当葡萄糖和另一种须经诱导才能利用的糖同时存在时，E.coli总是首先利用葡萄糖做碳源而生长，直到葡萄糖消耗完毕后，才开始利用另一种糖。

β-半乳糖苷酶的诱导

lac操纵子的本底水平表达

有两个矛盾是操纵子理论所不能解释的：①诱导物需要穿过细胞膜才能与阻遏物结合，而转运诱导物需要透过酶，而后者的合成也需要诱导。解释：一些诱导物可以在透过酶不存在时进入细胞？(×)

一些透过酶可以在没有诱导物的情况下合成？(√)②真正的诱导物是异构乳糖而非乳糖，前者是在β-半乳糖苷酶的催化下由乳糖形成的，因此，需要有β-半乳糖苷酶的预先存在。解释：在本底水平上,有β-半乳糖苷酶的组成型合成,即,在非诱导状态下,lacZ操纵子有本底水平上的表达（有少量lacmRNA合成及翻译）。安慰性诱导物：如果某种物质能够促使细菌产生酶而本身又不被分解，这种物质被称为安慰诱导物，如IPTG（异丙基-β–D-硫代半乳糖苷）和TMG(巯甲基半乳糖苷)等。乳糖的结构2.2E.colilac操纵子学说的提出操纵子：由启动子、操纵基因及其控制下的一组功能相关的结构基因所组成的转录单位。操纵基因受调节基因产物的控制。乳糖操纵子调控模型①Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子mRNA分子所编码。②启动子区(P)紧接着操纵区(O)区。③操纵区(O)是一小段序列（26bp），是阻遏物的结合位点。④当阻遏物与操纵基因结合时，lacmRNA转录起始受到抑制。Z编码β-半乳糖苷酶：将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖。Y编码β-半乳糖苷透过酶：使外界的β-半乳糖苷（如乳糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。A编码β-半乳糖苷乙酰基转移酶：乙酰辅酶A上的乙酰基转到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。足迹法鉴定蛋白质在DNA上的结合部位操纵基因试验鉴定操纵基因的结构特征：长21bp，与启动子-10区和编码链部分重叠，含反向重复序列。操纵位点的回文序列阻遏蛋白与操纵基因的结合方式：每个单体靠次级键与操纵基因的一半相结合。λ阻遏蛋白为二聚体。DNA结合蛋白与DNA之间的相互作用2.3葡萄糖降解物效应培养基中葡萄糖含量高，则大肠杆菌细胞内的葡萄糖代谢旺盛，降解物浓度高，cAMP含量少，乳糖操纵子转录被抑制；反之，cAMP含量多，乳糖操纵子转录被激活。葡萄糖降解物的作用:控制cAMP的浓度。

cap或CR基因与正控制

cap或CR基因编码一种激活Lac等操纵子的正控制蛋白CAP（一种二聚体蛋白），cAMP是其效应物。CAP正控制的实质性作用是：cAMP与CAP结合，CAP构像发生变化，专一性识别并结合DNA，促进RNA聚合酶有效地与启动子结合。CAP:Cataboliteactivatorprotein(降解物激活蛋白)CRP:Catabolitereceptorprotein(降解物受体蛋白)ZYAOPDNA调控区CAP结合位点启动序列操纵序列结构基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基转移酶cAMP—CAP复合物

lac操纵子的双重调控TheLacOperon:

WhenGlucoseIsPresentButNotLactoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveComeon,letmethroughNowayJose!CAPTheLacOperon:

WhenLactoseIsPresentButNotGlucoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorXThislactosehasbentmeoutofshapeCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yipee…!TheLacOperon:

WhenNeitherLactoseNorGlucoseIsPresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveRepressorSTOPRighttherePolymeraseAlright,I’mofftotheraces...Comeon,letmethrough!3色氨酸操纵子细菌基因组中含有负责某些物质合成的操纵子，如负责AA合成的操纵子。当无外源AA时，这类操纵子表达，使细胞内有足够的AA以进行蛋白质的合成；有外源AA时，细菌就不必自己合成，这类操纵子就受到阻遏。这类可被最终合成产物所阻遏的操纵子叫做可阻遏操纵子。色氨酸操纵子就是一个典型的可阻遏操纵子。由trpE、D、C、B、A等5个基因所组成；P与O重叠，P：-40～+18，O：-21～+1；trpR编码阻遏蛋白；前导序列L：162bp，其末端为弱化子（attenuator）。3.1trp操纵子的结构特点:(1)trpR和trpABCDE不连锁；(2)有衰减子(attenuator)/弱化子;(3)启动子和结构基因不直接相连，二者被前导序列(Leader)所隔开

trp操纵子结构返回LeaderSequenceofthetrpOperon3.2调控机制阻遏作用：当Trp充分时，阻遏蛋白与Trp结合而被活化，阻止转录。弱化作用：使正在进行的操纵子转录在到达结构基因以前就中途停止的基因调控作用。

阻遏作用和弱化作用均属负控制（转录水平上的控制）。前者，AA通过阻遏蛋白而影响转录—调控信号是AA的浓度；后者，AA通过tRNA的作用而影响转录—调控信号是AA-tRNA的浓度。

低Trp时：阻遏物不结合操纵基因高Trp时：阻遏物+Trp结合操纵基因3.2.1

Trp操纵子的阻遏系统123~1503.2.2trp操纵子的弱化机制弱化子:DNA中可导致转录过早终止的一段核甘酸序列（123-150区）。

研究引起终止的mRNA碱基序列，发现该区mRNA通过自我配对可以形成茎-环结构，有典型的终止子特点。前导序列：在trpmRNA5ˊ端trpE基因的起始密码前一个长162bp的mRNA片段。Section1:nucleotides50-68Section2:nucleotides75-92Section3:nucleotides108-121Section4:nucleotides126-134

TheoperonisinactivedOncetheribosomeisremoved,section1isnowfreetobasepairwithsection2,thensection3isbasepairwithsection4,thesehairpinloopscauseterminationoftranscriptionandthedetachmentoftheleaderRNAfromtheDNAtemplateAttenuationofthetrpoperon

RibosomestallatapositionwheretwoconsecutivetrpcodonsarelocatedSection2basepairwithsection3,section4remainssingle-strand,andtheRNApolymerasecontinuestranscriptionthestructuralgenesTheoperonhasbeenactivatedAttenuationofthetrpoperon

再论弱化子（attenuator)与弱化作用(attenuation)

弱化子是指Trp等操纵子前导序列的末端部分，具有减弱转录的功能。当Trp过剩时,前导肽的翻译合成到达前导mRNA的终止密码子处,这时,弱化子形成终止子发夹以阻遏下游相应氨基酸操纵子的转录，即,使正在进行的操纵子转录在到达结构基因以前就中途停止——弱化作用。

4.1组氨酸等的操纵子His操纵子可单独依靠弱化子的结构实现其控制作用。只有一种负控制作用（即弱化作用）。4其它操纵子4.2大肠杆菌半乳糖操纵子(galactoseoperon)galoperon包括3个结构基因:

galE编码:异构酶(UDP-galactose-4-epimerase)

galT编码:半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷转移酶(galactosetransferase)

galk编码:半乳糖激酶(galactosekinase)

这3个酶的作用是使半乳糖转变成葡萄糖-1-磷酸。

galR与galE、T、K及操纵区O等离得很远，而galR产物对galO的作用与lacI-lacO的作用相同。

gal操纵子的特点：①两个启动子，其mRNA可从两个不同的起始点开始转录②两个O区，一个在P区上游，另一个在结构基因galE内部。

两个启动子分别拥有各自的RNA聚合酶结合位点S1和S2。当有cAMP-CAP时，转录从S1开始；当无cAMP-CAP时，转录从S2开始。4.3阿拉伯糖操纵子（arabinoseoperon)araB基因、araA基因和araD,形成一个基因簇，简写为araBAD。三个基因的表达受到ara操纵子中araC基因产物AraC蛋白的调控。结构（1）结构基因B、A、D。（2）基因c编码C蛋白——调控蛋白，C蛋白既是正调节蛋白，又是阻遏物(负调节蛋白)

。

（3）调节基因c与结构基因的转录方向相反。

调控机制（C蛋白和CAP的双重调控）4.4多启动子调控的操纵子

大肠杆菌rRNA操纵子（rrnE）上有两个启动子，P1和P2。P1是强启动子，营养充沛时，由P1起始的转录产物比由P2起始的转录产物高3-5倍。当营养匮乏时，P1的作用被抑制，但P2仍有功能。

(1)rRNA操纵子

DnaQ蛋白是DNA聚合酶全酶的亚基之一，其主要功能是校正DNA复制中可能出现的错误。在RNA聚合酶活性较低时，操纵子的转录由弱启动子P2控制；而RNA聚合酶活性较高时，就开始利用强启动子P1。(2)DnaQ蛋白操纵子阻遏蛋白LexA的降解与细菌中的SOS应答

SOS反应的机理：由RecA蛋白和LexA阻遏物的相互作用引起的。当RecA水解LexA阻遏物后，LexA阻遏效应被解除，导致SOS体系（包括recA基因）高效表达，DNA得到修复。

LexA阻遏物：是SOSDNA修复系统所有基因的阻遏物。

RecA蛋白：是SOS反应的最初的发动因子。在单链DNA和ATP存在时，RecA蛋白被激活，表现出水解酶活性，分解LexA阻遏物。5固氮基因调控（简介）5.1生物固氮简介微生物利用自己独特的固氮酶系统，将从光合作用产物或其它碳水化合物得到的电子和能量传递给氮（N2），使其还原成氨，这就是生物固氮。

生物固氮主要包括自生固氮和共生固氮两大类。

自生固氮是指有些固氮微生物在土壤或培养基中能够独立地完成固定大气中的分子态氮的作用，其固氮量远远低于共生固氮。

共生固氮是指固氮微生物和寄生植物生活在一起，直接从寄生植物获取能