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1、第七节 原核生物的基因调控 每个物种都有一套完整的遗传信息。遗传信息存在于DNA分子中，每个细胞都有相同的DNA，也就是说，每个细胞中都带有完整的遗传信息。在正常情况下，一个个体的各类细胞都是按照一定的规律和一定的时空顺序，关闭一些基因，开启另一些基因，并不断地进行严格的调控，以保证个体的发育得以顺利进行。基因表达(gene expression)就是指某一基因指导下的蛋白质合成,蛋白质是基因表达的产物,在生活中并非所有基因都一齐表达,而是有些基因进行表达,形成其基因表达的特异产物,以构成细胞结构或代谢所需要的蛋白质或酶类。但是,有许多基因却被关闭,不进行表达,而要在适当的时候才进行表达。基因
2、作用的调控机理相当复杂，至今仍知之不多。但这个领域是当前遗传学研究的热点，随着功能基因组学的飞速发展，研究的进展相当地快。当然，研究成果多集中在原核生物，对高等生物基因表达的调控机制还了解不多。虽然一种基因编码一种蛋白质,但是不同蛋白质在细胞中的相对数量差别很大,随着它们的功能而不同,例如,在E.coli细胞中,从总蛋白的不足0.01%-2%,各种蛋白质变化不定。细胞要使其蛋白质合成达到这种差异,可以有两条途径：第一条途径是细胞控制从其DNA模板上转录其特异的mRNA的速度,这是一种最经济的办法,可以免去浪费从mRNA合成蛋白质的各种元件和材料。这大概是生物在长期进化过程中自然选择的结果。这种
3、控制通常称之为转录水平(transcriptional level)的调控。大多数基因表达都属于转录水平的调控。第二条途径是在mRNA合成后,控制从mRNA翻译成多肽链的速度,包含一些分子装置问题,如与核糖体的结合速度等。这种蛋白质合成或基因表达的控制称为翻译水平(translational level)的调控。这种调控是较少的。一、转录水平的调控单细胞的原核生物对环境条件具有高度的适应性，可以迅速调节各种基因的表达水平，以适应不断变化的环境条件。 原核生物主要是在转录水平上调控基因的表达。当需要这种产物时，就大量合成这种mRNA，当不需要这种产物时就抑制这种mRNA的转录，就是让相应的基因不
4、表达。通常所说的基因不表达，并不是说这个基因就完全不转录为mRNA，而是转录的水平很低，维持在一个基础水平（本底水平）。1.正调控（positive regulation）和负调控（negative regulation）：诱导物与蛋白质结合形成激活子复合物，激活子复合物与基因启动子DNA序列结合，激活基因启动转录，称为正调控。阻遏蛋白分子与基因启动子DNA序列结合，阻碍RNA聚合酶的工作，使基因处于关闭状态，称为负调控。调节蛋白(regulatory protein)是一些特殊蛋白质,它们决定着何时诱导酶或阻遏酶可以合成。每种调节蛋白影响一种或多种特殊基因的表达。它们有两种基本类型:即正调节
5、蛋白(positive regulator)及负调节蛋白(negative regulator)。这两种调节可以由调节它们的基因之相反效应加以区别。负调节蛋白或称阻遏蛋白,会使其靶蛋白的合成受到抑制,即不表达,而不管是否需要。阻遏物并非永远能阻止mRNA的合成。否则,它们就将永远抑制其特异蛋白质的合成。许多阻遏物分子能以活性的及无活性的两种形式存在,这要看它们是否与其适当的诱导物或辅阻遏物(corepressor)结合而定,诱导物的结合可使阻遏物失活。例如,当与-半乳糖苷如乳糖或异乳糖(allolactose,乳糖的代谢物,为天然诱导物)结合时,lac阻遏物即不能与其专一的操纵基因结合。因此,
6、加半乳糖苷于生长细胞中,以降低lac阻遏蛋白的分子浓度,可使半乳糖苷酶得以合成。反之,辅阻遏物的结合则将无活性的阻遏物变为有活性的形式。这类突变种称为组成突变种(constitutive mutant)。与此相反,正调节蛋白是激活蛋白(activator),它的存在对合成所调节的酶是需要的,因此,激活蛋白存在时被控制的基因即表达。.顺式调控元件和反式调控因子：基因表达的调控都是特定的蛋白质分子和特定的DNA序列两个因素相互作用的结果， 起调控作用的DNA序列称为顺式调控元件，如乳糖操纵元中的启动子（p）和操纵子（O），起调控作用的蛋白质分子称为反式调控因子，如乳糖操纵子中调节基因编码的阻遏蛋白
7、、cAmpCAP复合物。在原核生物中，通常是几个作用相关的基因在染色体上串连排列在一起，由同一个调控系统来控制，这样的一个整体称为一个操纵子。当几种酶参与同一个代谢途径时，往往这几个基因同时被转录为一个多顺反子mRNA。而真核生物基因都是转录成单顺反子的，所以真核生物中没有这种调控机制。在原核生物中，关于E.coli乳糖代谢的调控研究得最为清楚，下面以E.coli的乳糖操纵子为例来介绍一般操纵子的调控机制。.乳糖操纵子的负调控在正常情况下，E.coli是以葡萄糖作为碳源的，在没有葡萄糖，只有乳糖存在的条件下，E.coli也能以乳糖为碳源而生存。葡萄糖是单糖，E.coli利用它最为方便和经济。乳
8、糖是双糖，是葡萄糖和半乳糖的复合物。以乳糖为碳源必须先将乳糖分解为葡萄糖和半乳糖，再将半乳糖转化为葡萄糖，这就需要额外的酶。 半乳糖苷酶，将乳糖分解成半乳糖和葡萄糖； 半乳糖渗透酶，帮助细菌从培养基中摄取乳糖； 半乳糖苷转乙酰酶，作用不明。在有葡萄糖存在时，细菌体内的这三种酶含量很低。每个细胞中只有35个分子的半乳糖昔酶。当培养基中没有葡萄糖而有乳糖存在时，这三种酶的量急剧增加，23分钟内即可增加1000倍以上，而且三种酶成比例增加。一旦乳糖用完，在23分钟内这三种酶的量又很快下降到本底水平。劲元 乳鸽糖操腹纵子折模型照如下参：不注：悬a、沫y、洲z分军别为渔三个坚结构仓基因扒， 岔O 嘴为操
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