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1、第七章第七章原核生物原核生物基因表达的调控基因表达的调控主要内容主要内容v转录水平的调控转录水平的调控 调节基因和结构基因调节基因和结构基因: :生物活性相关的基因组织生物活性相关的基因组织在一起在一起, ,就不必逐个进行调控就不必逐个进行调控, ,而是一开俱开而是一开俱开, ,一关全一关全关关, ,同时还保持基因产物在比例上大体相当同时还保持基因产物在比例上大体相当. .原核生原核生物的操纵元系统是这种最有效和最经济原则的体现物的操纵元系统是这种最有效和最经济原则的体现. .v转录后调控转录后调控v翻译水平的调控翻译水平的调控第一节第一节概念概念vv基因表达基因表达就是指储存遗传信息的基因经
2、过转录、就是指储存遗传信息的基因经过转录、翻译合成特定蛋白质，进而发挥其生物功能的整个翻译合成特定蛋白质，进而发挥其生物功能的整个过程。也即基因转录及翻译的过程。过程。也即基因转录及翻译的过程。v在生命活动过程中并非所有基因都表达，而是有些在生命活动过程中并非所有基因都表达，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，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。对这个过程的调节就称为时候才进行表达
3、。对这个过程的调节就称为基因表基因表基因表基因表达调控达调控达调控达调控 。v组成性表达组成性表达又称组成性基因表达又称组成性基因表达(constitutivegeneexpression)，是指在个，是指在个体发育的任一阶段都能在大多数细胞中持续体发育的任一阶段都能在大多数细胞中持续进行的基因表达。其基因表达产物通常是对进行的基因表达。其基因表达产物通常是对生命过程必需的或必不可少的，且较少受环生命过程必需的或必不可少的，且较少受环境因素的影响。这类基因通常又被称为境因素的影响。这类基因通常又被称为管家管家基因基因（housekeeping gene）。 v其特点为：其特点为：v(1)不易受
4、环境变化影响，表达产物是整个生命过程不易受环境变化影响，表达产物是整个生命过程中都持续需要的，是细胞存活所必须的；中都持续需要的，是细胞存活所必须的；v(2)表达水平较恒定，表达水平较恒定，只受到启动序列或启动子与只受到启动序列或启动子与RNA聚合酶相互作用的影响聚合酶相互作用的影响，而不受其他机制调节。，而不受其他机制调节。v如，三羧酸循环是一枢纽性代谢途径，催化该途径如，三羧酸循环是一枢纽性代谢途径，催化该途径各阶段反应的酶的编码基因就属这类基因。各阶段反应的酶的编码基因就属这类基因。v适应性表达适应性表达是指环境的变化易使其表达水平发生变是指环境的变化易使其表达水平发生变动的一类基因的表
5、达。动的一类基因的表达。v这类基因包括：这类基因包括：(1)可诱导基因可诱导基因(induciblegene)：在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因在特定环境信号刺激下，相应的基因被激活，基因表达产物增加，这种基因是可诱导的。表达产物增加，这种基因是可诱导的。v(2)可阻遏基因可阻遏基因(repressiblegene)：在特定环境信：在特定环境信号刺激下，如果相应的基因对环境信号应答时被抑号刺激下，如果相应的基因对环境信号应答时被抑制，这种基因是可阻遏的。制，这种基因是可阻遏的。 v这类基因的特点为：这类基因的特点为：v(1)易受环境变化影响；易受环境变化影响；v(2)除受到启动序列
6、或启动子与除受到启动序列或启动子与RNA聚合酶相聚合酶相互作用的影响外，还受其他机制调节。互作用的影响外，还受其他机制调节。v这类基因的调控序列含有特异刺激的反应元这类基因的调控序列含有特异刺激的反应元件。件。v适应性表达的结果产生了两种现象：一种为适应性表达的结果产生了两种现象：一种为随环境条件变化基因表达水平增高的现象，随环境条件变化基因表达水平增高的现象，称为称为诱导诱导(induction)。产生诱导作用的小分。产生诱导作用的小分子物质称为子物质称为诱导物诱导物(inducer)。v另一种为随环境条件变化而基因表达水平降另一种为随环境条件变化而基因表达水平降低的现象，称为低的现象，称为
7、阻遏阻遏(repression)。产生阻。产生阻遏作用的小分子物质称为遏作用的小分子物质称为辅阻遏物辅阻遏物(corepressor)。 v根据操纵元对于调节它们表达的小分子的应根据操纵元对于调节它们表达的小分子的应答反应的性质，可将操纵元分为答反应的性质，可将操纵元分为可诱导的操可诱导的操纵元纵元和和可阻遏的操纵元。可阻遏的操纵元。v正调控正调控：在没有调节蛋白存在时，基因是关闭的，：在没有调节蛋白存在时，基因是关闭的，加入调节蛋白质后基因的活性被开启。加入调节蛋白质后基因的活性被开启。v负调控负调控：没有调节蛋白时，基因表达，加入调节蛋：没有调节蛋白时，基因表达，加入调节蛋白后基因表达活性
8、便关闭。白后基因表达活性便关闭。v负调控系统提供了一个负调控系统提供了一个万一保安机制万一保安机制：即万一调节：即万一调节蛋白失活，酶系统可照样合成，只不过有所浪费，蛋白失活，酶系统可照样合成，只不过有所浪费，而决不会使细胞因缺乏该酶系统而造成致命的后果。而决不会使细胞因缺乏该酶系统而造成致命的后果。未发现基因表达基本要素基因表达基本要素 1顺式作用元件顺式作用元件（cis-actingelement）：又称）：又称分子内作用元件，指存在于分子内作用元件，指存在于DNA分子上的一分子上的一些与基因转录调控有关的特殊些与基因转录调控有关的特殊序列序列。v在原核生物中，大多数基因表达通过操纵子在原
9、核生物中，大多数基因表达通过操纵子模型进行调控，其顺式作用元件主要由模型进行调控，其顺式作用元件主要由启动启动子、操纵基因和调节基因子、操纵基因和调节基因组成。组成。 v反式作用因子反式作用因子（trans-actingfactor）：又）：又称为调节蛋白，指一些与基因表达调控有关称为调节蛋白，指一些与基因表达调控有关的的蛋白质因子蛋白质因子。v原核生物中的反式作用因子主要分为原核生物中的反式作用因子主要分为特异因特异因子、激活蛋白和阻遏蛋白子、激活蛋白和阻遏蛋白。 原核生物基因表达调控的特点原核生物基因表达调控的特点v（1）转录水平的调控）转录水平的调控(transcriptionalreg
10、ulation)：即细胞控制从其：即细胞控制从其DNA模板上转模板上转录其特异的录其特异的mRNA的速度。大多数基因表达的速度。大多数基因表达都属于转录水平的调控，主要形式为操纵子都属于转录水平的调控，主要形式为操纵子调控。转录水平的调控除了操纵子之外，还调控。转录水平的调控除了操纵子之外，还有其它各种形式，如噬菌体基因表达的时序有其它各种形式，如噬菌体基因表达的时序调控。调控。v（2）翻译水平的调控（）翻译水平的调控（translationalregulation）：由于原核生物其转录和翻译）：由于原核生物其转录和翻译过程是耦联的，过程是耦联的，mRNA转录后的加工修饰基转录后的加工修饰基本
11、不存在，因此转录后水平的调控主要表现本不存在，因此转录后水平的调控主要表现在翻译水平在翻译水平(translationallevel)。翻译水平。翻译水平的调控表现在的调控表现在mRNA合成后，控制从合成后，控制从mRNA翻译成多肽链的速度，包括翻译的起始、延翻译成多肽链的速度，包括翻译的起始、延伸和终止过程。伸和终止过程。 第二节第二节操纵元的原型操纵元的原型乳糖操纵元乳糖操纵元v一、操纵元模型的提出一、操纵元模型的提出v20世纪初就发现了酵母细胞中酶的诱导现象：世纪初就发现了酵母细胞中酶的诱导现象：分解分解底物的酶只有在底物存在时才出现底物的酶只有在底物存在时才出现。v法国巴斯德研究院的法
12、国巴斯德研究院的FrancoisJacob与与JacquesMonod于于1960年在法国科学院院报年在法国科学院院报(ProceedingoftheFrenchAcademyofSciences)上发表了一篇上发表了一篇论文，提出乳糖代谢中的两个基因被一靠近它们的论文，提出乳糖代谢中的两个基因被一靠近它们的遗传因子所调节。遗传因子所调节。 v操纵元模型：操纵元模型：一个或几个结构基因与一个调一个或几个结构基因与一个调节基因和一个操纵位点组成一个操纵单元节基因和一个操纵位点组成一个操纵单元。在操纵元中，结构基因产生在操纵元中，结构基因产生mRNAmRNA并作为模板并作为模板合成蛋白质；而调节基
13、因则产生一种阻遏蛋合成蛋白质；而调节基因则产生一种阻遏蛋白与操纵位点相互作用。白与操纵位点相互作用。一、乳糖操纵元的调控机理一、乳糖操纵元的调控机理v在细菌中，同一代谢途径的所有酶的合成调在细菌中，同一代谢途径的所有酶的合成调控大多是一致的。大肠杆菌中分解利用乳糖控大多是一致的。大肠杆菌中分解利用乳糖的酶除了的酶除了-半乳糖苷酶半乳糖苷酶外，还需要使乳糖进外，还需要使乳糖进入细胞的入细胞的-半乳糖苷透性酶半乳糖苷透性酶和能将乙酰基从和能将乙酰基从乙酰辅酶乙酰辅酶A A分子上转移到分子上转移到-半乳糖苷上的半乳糖苷上的-半乳糖苷乙酰基转移酶半乳糖苷乙酰基转移酶。v1调控位点调控位点v(1)Ope
14、rator操纵基因操纵基因v(2)CAP(catabolitegeneactivationprotein)orCAP(cAMP受体蛋白受体蛋白)结合位点结合位点v(3)Promotorv2别乳糖别乳糖为诱导物：乳糖进入细胞后由为诱导物：乳糖进入细胞后由-半乳糖糖半乳糖糖苷酶催化，变为别乳糖，此糖才是一种较强的诱导苷酶催化，变为别乳糖，此糖才是一种较强的诱导物，能与阻遏蛋白结合。物，能与阻遏蛋白结合。v乳糖操纵元是表现为一个可诱导的操纵元。乳糖操纵元是表现为一个可诱导的操纵元。v安慰诱导物安慰诱导物：对于：对于-半乳糖苷酶来说，除了半乳糖苷酶来说，除了能被半乳糖苷酶诱导外，一些能被该酶识别能被半
15、乳糖苷酶诱导外，一些能被该酶识别但不能被分解的半乳糖苷化合物，如异丙基但不能被分解的半乳糖苷化合物，如异丙基-D硫代半乳糖苷（硫代半乳糖苷（IPTG）。）。IPTG有极强的有极强的诱导效应，而本身又不被分解。诱导效应，而本身又不被分解。v3本底组成型本底组成型(backgroundconstitutivesynthesis)：因为阻遏蛋白对于：因为阻遏蛋白对于lacO的结合的结合并非是永久性的，而是有一个并非是永久性的，而是有一个1020min的半的半衰期；虽然衰期；虽然lacO处于游离状态的时间极短，处于游离状态的时间极短，但有时但有时RNA聚合酶就抓住这个机会进行一次聚合酶就抓住这个机会进
16、行一次转录。转录。二二. .阻遏蛋白与乳糖操作子的相互作用阻遏蛋白与乳糖操作子的相互作用1操作子上与阻遏蛋白结合的位点操作子上与阻遏蛋白结合的位点阻遏蛋白的分子量为阻遏蛋白的分子量为38KDa，由四个相同的亚，由四个相同的亚基组成。每个细胞含有基组成。每个细胞含有510个这样的四聚体。个这样的四聚体。每个亚基可以结合一分子每个亚基可以结合一分子IPTG。lacI基因表基因表达效率很低，一个细胞周期中只合成达效率很低，一个细胞周期中只合成12个个lacImRNA，且，且lacI基因的转录是基因的转录是组成型组成型的，的，不受任何阻遏蛋白的控制，不受任何阻遏蛋白的控制，只受自身启动子只受自身启动子
17、强度的控制强度的控制。 操纵位点的回文序列阻遏蛋白结合区域为阻遏蛋白结合区域为26bp，-5+20v阻遏蛋白结合位点的阻遏蛋白结合位点的DNADNA序列的对称性与阻遏序列的对称性与阻遏蛋白四聚体的对称性是相应的。以蛋白四聚体的对称性是相应的。以+11+11为对称为对称轴。每边为两段各轴。每边为两段各6 6个个bpbp的对称序列（的对称序列（TGTGTGTGTGTG和和AATTGTAATTGT）。甲基化实验表明，）。甲基化实验表明，+3-+19+3-+19区段区段中许多嘌呤碱基可被阻遏蛋白保护而免于甲中许多嘌呤碱基可被阻遏蛋白保护而免于甲基化。基化。2阻遏蛋白结构阻遏蛋白结构v阻遏蛋白的结构：阻
18、遏蛋白的结构：用胰蛋白酶消化分析用胰蛋白酶消化分析vN端端159aa头部片段：为头部片段：为HTH，与操纵基，与操纵基因因DNA的大沟结合；与的大沟结合；与lacO的接触方式完全的接触方式完全与完整的阻遏蛋白一样。与完整的阻遏蛋白一样。v核心区：有核心区：有6个个 折叠，诱导物就结合在两个折叠，诱导物就结合在两个核心区之间的裂缝中；核心区之间的裂缝中；vC端为两组亮氨酸拉链，形成四聚体。端为两组亮氨酸拉链，形成四聚体。HTHvHTH是许多原核生物中蛋白质与是许多原核生物中蛋白质与DNA相互作用的相互作用的基础。基础。vHTH由两个短的由两个短的a-螺旋片断组成，各约螺旋片断组成，各约7-9个氨
19、基酸，个氨基酸，中间由一条中间由一条-转角隔开。转角隔开。v两个短的两个短的a-螺旋片断有一个称为螺旋片断有一个称为识别螺旋识别螺旋，因为含，因为含有许多能与有许多能与DNA相互作用的氨基酸。这个螺旋定位相互作用的氨基酸。这个螺旋定位于于DNA大沟中。大沟中。亮氨酸拉链亮氨酸拉链v亮氨酸拉链亮氨酸拉链是一种特殊的是一种特殊的a螺旋。它的疏水氨基酸集螺旋。它的疏水氨基酸集中排列在螺旋的一侧，疏水的表面是二个蛋白质分中排列在螺旋的一侧，疏水的表面是二个蛋白质分子构成的接触点。子构成的接触点。v其显著特点是亮氨酸的频繁出现，每其显著特点是亮氨酸的频繁出现，每7个氨基酸残基个氨基酸残基出现出现1个。使
20、之沿个。使之沿a-螺旋的疏水侧排列为直线，有如螺旋的疏水侧排列为直线，有如拉链结构，故称为拉链结构，故称为亮氨酸拉链亮氨酸拉链。阻遏蛋白单体的三级结构鋅指结构鋅指结构v锌指是每一个指结构具有以下的保守序列锌指是每一个指结构具有以下的保守序列:Cys-X2-4-Cys-Phe-X5-Leu-X2-His-X3-His。这段保守序列。这段保守序列中的两个中的两个半胱氨酸残基半胱氨酸残基和两个和两个组氨酸残基组氨酸残基与与锌离子锌离子形成形成配位键配位键,形成环形成环,因此称为因此称为锌指锌指,上述具有上述具有Cys和和His的指结构称为的指结构称为Cys2/His2指。每个指结构有指。每个指结构有
21、23个个氨基酸残基氨基酸残基,指结构之间的距离为指结构之间的距离为78个氨基酸残个氨基酸残基。基。v靠靠Zn2+与对侧的一个与对侧的一个-折叠结构相连，其识别折叠结构相连，其识别螺旋能嵌入螺旋能嵌入DNA双螺旋双螺旋的大沟中而与之结合。的大沟中而与之结合。3阻遏蛋白与操作子的解离阻遏蛋白与操作子的解离v阻遏蛋白四聚体结合于操作子时，诱导物可阻遏蛋白四聚体结合于操作子时，诱导物可与阻遏蛋白的核心片段结合。结合了诱导物与阻遏蛋白的核心片段结合。结合了诱导物后，核心片段发生了变构，这一作用通过铰后，核心片段发生了变构，这一作用通过铰链区再传导到头部片段，引起整个四聚体构链区再传导到头部片段，引起整个
22、四聚体构象的改变，从而降低了与操作子的结合能力，象的改变，从而降低了与操作子的结合能力，阻遏蛋白就离开操作子。阻遏蛋白就离开操作子。v阻遏蛋白与其他许多位点特异性的阻遏蛋白与其他许多位点特异性的DNADNA结合蛋结合蛋白一样。如白一样。如RNARNA聚合酶，都具有以较低的亲和聚合酶，都具有以较低的亲和力与随机的力与随机的DNADNA序列相结合的能力。因此，细序列相结合的能力。因此，细胞内并不存在游离的阻遏蛋白四聚体。胞内并不存在游离的阻遏蛋白四聚体。v阻遏蛋白四聚体与操作子的结合常数是与随阻遏蛋白四聚体与操作子的结合常数是与随机序列结合常数的机序列结合常数的4 410106 6倍。倍。v但数量
23、巨大的但数量巨大的随机序列随机序列是与是与操作子操作子竞争阻遏竞争阻遏蛋白的重要因素蛋白的重要因素. .如无诱导物存在如无诱导物存在, ,细胞内一细胞内一个阻遏蛋白四聚体结合个阻遏蛋白四聚体结合操作子操作子的几率仅为的几率仅为随随机序列机序列的的2525倍倍. .v因此因此, ,任何使阻遏蛋白与操作子的特异性亲和任何使阻遏蛋白与操作子的特异性亲和力下降力下降20-3020-30倍的突变都能使倍的突变都能使laclac 酶系统的合酶系统的合成变为成变为组成型表达组成型表达。v无诱导物时无诱导物时,细胞内有一个阻遏蛋白四聚体结合在细胞内有一个阻遏蛋白四聚体结合在操作子上操作子上,其余全部随机结合在
24、其他其余全部随机结合在其他DNA上。加入上。加入诱导物后诱导物后,阻遏蛋白因变构作用使之与阻遏蛋白因变构作用使之与lacO的亲和力的亲和力下降下降1000倍倍,但与非特异性序列的亲和力不变但与非特异性序列的亲和力不变,因此因此,lacO上的阻遏蛋白迅速转移到随机的上的阻遏蛋白迅速转移到随机的DNA序列上。序列上。诱导物的结合解离模型诱导物和阻遏蛋白结合的模型三、乳糖操纵元的正调控三、乳糖操纵元的正调控在遗传学方面，人们已经分离出两类使乳糖操纵元在无葡萄糖在遗传学方面，人们已经分离出两类使乳糖操纵元在无葡萄糖有乳糖存在时也不能表达的突变体，一类位于编码有乳糖存在时也不能表达的突变体，一类位于编码
25、CAPCAP的的capcap基因基因上；另一类位于编码合成上；另一类位于编码合成cAMPcAMP的的腺苷酸环化酶基因腺苷酸环化酶基因cyacya上。细胞中上。细胞中CAPCAP的合成是组成型的，因而相对稳定。的合成是组成型的，因而相对稳定。v具有正调控能力的具有正调控能力的cAMP-CAP复合物的多寡主要取复合物的多寡主要取决于决于cAMP的含量的含量。v负责合成负责合成cAMP的是基因的是基因cya编码的腺苷酸环化酶。编码的腺苷酸环化酶。当细菌利用葡萄糖分解供给能量时，其代谢中间产当细菌利用葡萄糖分解供给能量时，其代谢中间产物可能对基因物可能对基因cya的转录有抑制作用，导致的转录有抑制作用
26、，导致cAMP生生成少而分解多，成少而分解多，cAMP含量低；相反，当环境中无含量低；相反，当环境中无葡萄糖可供利用时，葡萄糖可供利用时，cAMP含量就相应升高。含量就相应升高。v当当cAMP浓度升高时，浓度升高时，CAP与与cAMP结合并发生空结合并发生空间构象的变化而活化，即能以二聚体的方式与特定间构象的变化而活化，即能以二聚体的方式与特定的的DNA序列结合。序列结合。 腺苷酸环化酶位于细胞膜上。该酶的活性与腺苷酸环化酶位于细胞膜上。该酶的活性与细胞膜的组织结构和生理状态，特别是与负细胞膜的组织结构和生理状态，特别是与负责葡萄糖运输的磷酸烯醇式丙酮酸磷酸基转责葡萄糖运输的磷酸烯醇式丙酮酸磷
27、酸基转移酶的活性有关。移酶的活性有关。v因此，因此，cAMPcAMP-CAP-CAP不仅调控乳糖、半乳糖、阿不仅调控乳糖、半乳糖、阿拉伯糖等糖类代谢有关的酶，而且三羧酸循拉伯糖等糖类代谢有关的酶，而且三羧酸循环和呼吸链酶系统中的大多数酶，分解各种环和呼吸链酶系统中的大多数酶，分解各种碳源底物的酶，降解某些氨基酸的酶，乙醛碳源底物的酶，降解某些氨基酸的酶，乙醛酸途径的酶等，均表现为酸途径的酶等，均表现为葡萄糖效应敏感葡萄糖效应敏感。乳糖CAP是二聚体蛋白质是二聚体蛋白质,亚基的分子量为亚基的分子量为22.5KDa。在启动。在启动子上的集合区域一般包括子上的集合区域一般包括TGTGA,在乳糖操纵元
28、中为对称在乳糖操纵元中为对称序列序列,但大多数序列为非对称的序列但大多数序列为非对称的序列,这可能反映了这可能反映了cAMP-CAP系统对不同的操作元有不同程度的控制。系统对不同的操作元有不同程度的控制。不同的操纵元中不同的操纵元中,CAP位点与转录起始点的距离相差很大位点与转录起始点的距离相差很大:在乳糖操纵元中位于在乳糖操纵元中位于-72-2;半乳糖操纵元中半乳糖操纵元中-76-47;阿阿拉伯糖操纵元中为拉伯糖操纵元中为-107-78.实验发现实验发现, ,缺乏缺乏-35-35序列序列的操纵元对的操纵元对cAMPcAMP-CAP-CAP系统的系统的依赖性更大。依赖的操纵元都没有很好的依赖性
29、更大。依赖的操纵元都没有很好的-35-35序列序列, ,有的甚至没有很好的有的甚至没有很好的-10-10序列序列。因此。因此cAMPcAMP-CAP-CAP与其与其结合位点的相互作用及结合位点的相互作用及RNARNA聚合酶与聚合酶与-35-35序列序列的相互的相互作用是相关的，都具有促进转录起始的作用。作用是相关的，都具有促进转录起始的作用。促进转录的可能机制是促进转录的可能机制是促进促进DNADNA的解旋，使开放性的解旋，使开放性启动子复合物能够形成。启动子复合物能够形成。v乳糖操纵子的强诱导既需要乳糖操纵子的强诱导既需要有乳糖有乳糖的存在，的存在，又需要又需要没有葡萄糖没有葡萄糖可供利用。
30、可供利用。v通过这种机制，细菌优先利用环境中的葡萄通过这种机制，细菌优先利用环境中的葡萄糖，只有无葡萄糖而有乳糖时，细菌才能充糖，只有无葡萄糖而有乳糖时，细菌才能充分利用乳糖。由此可见，对乳糖操纵子来说分利用乳糖。由此可见，对乳糖操纵子来说CAP是正调控因子，乳糖阻遏蛋白是负调控是正调控因子，乳糖阻遏蛋白是负调控因子。因子。 v乳糖操纵子属于可诱导操纵子乳糖操纵子属于可诱导操纵子(inducibleoperon)，这类操纵子，这类操纵子通常是关闭通常是关闭的，当受效的，当受效应物作用后诱导开放转录。这类操纵子使细应物作用后诱导开放转录。这类操纵子使细菌能适应环境的变化，最有效地利用环境提菌能适
31、应环境的变化，最有效地利用环境提供的能源底物。供的能源底物。第三节第三节操纵元的其他调控形式操纵元的其他调控形式一、具有双启动子的半乳糖操纵元一、具有双启动子的半乳糖操纵元（gal operon）v细胞代谢半乳糖，需要三种酶，即半乳糖激酶细胞代谢半乳糖，需要三种酶，即半乳糖激酶（galKgalK），半乳糖转移酶（），半乳糖转移酶（galTgalT），半乳糖表异构），半乳糖表异构酶（酶（galEgalE）。）。vGal既可为碳源，同时既可为碳源，同时UDPGal（尿苷二磷酸半（尿苷二磷酸半乳糖）又是合成细菌细胞壁的重要前体。乳糖）又是合成细菌细胞壁的重要前体。特点特点v(1)负调控负调控v(2)
32、双启动子相互重叠。双启动子相互重叠。galP1是依赖于是依赖于cAMP-CAP的，转录起点为的，转录起点为S1；galP2是不依赖于是不依赖于cAMP-CAP的，转录起点为的，转录起点为S2。两个启动子各有自己的。两个启动子各有自己的Pribnow框，两者相距框，两者相距5bp。无。无35顺序。顺序。v(3)双操纵基因；双操纵基因；v(4)操作子操作子OE在在CAP位点内，位点内，操作子操作子OI在在geneE内内为什么半乳糖操纵子需要两个转录起为什么半乳糖操纵子需要两个转录起始位点始位点？v半乳糖不仅可以作为唯一碳源供细胞生长，半乳糖不仅可以作为唯一碳源供细胞生长，而且与之相关的物质而且与之
33、相关的物质-尿苷二磷酸半乳糖尿苷二磷酸半乳糖（UDPgal）是大肠杆菌细胞壁合成的前体。）是大肠杆菌细胞壁合成的前体。v在没有外源半乳糖的情况下，在没有外源半乳糖的情况下，UDP-gal是通是通过半乳糖表异构酶的作用由过半乳糖表异构酶的作用由UDP-葡萄糖合成葡萄糖合成的，该酶是的，该酶是galE基因的产物。生长过程中的基因的产物。生长过程中的所有时间里细胞必须能够合成表异构酶。所有时间里细胞必须能够合成表异构酶。v如果只有如果只有galP1一个启动子，那么由于这个启动子一个启动子，那么由于这个启动子的活性依赖于的活性依赖于cAMP-CAP，当培养基中有葡萄糖存，当培养基中有葡萄糖存在时就不能
34、合成表异构酶。如果唯一的启动子是在时就不能合成表异构酶。如果唯一的启动子是galP2，葡萄糖不存在的情况下，细菌就不能利用，葡萄糖不存在的情况下，细菌就不能利用半乳糖，因为半乳糖，因为cAMP-CAP抑制了抑制了galP2，即使低水，即使低水平合成半乳糖操纵子的酶系统也是不可能。平合成半乳糖操纵子的酶系统也是不可能。v因此，无论从必要性或经济性考虑，都需要两个启因此，无论从必要性或经济性考虑，都需要两个启动子的存在，一个满足葡萄糖存在、半乳糖也存在动子的存在，一个满足葡萄糖存在、半乳糖也存在时的低水平的需要；另一个满足无葡萄糖、有半乳时的低水平的需要；另一个满足无葡萄糖、有半乳糖时高水平的需要
35、。糖时高水平的需要。 (1) 有有Gal，P1启动启动K,T,E 转录转录无无Glu无无Gal，P1不启动不启动无无Gal，OE,O I 结合形成环，仅转结合形成环，仅转有有录录20b有有Gal，P2启动启动S2 转录转录E, 组成型组成型(2)CAP-cAMP对对P1正调节，对正调节，对P2抑制抑制(3)阻遏物对阻遏物对P1，P2都是负调控，都是负调控，CAP-cAMP含量少时含量少时P2可转录可转录(机制不清机制不清)(4)P1与与RNAPol亲和力亲和力P2与与RNAPol亲和力亲和力调调节节二、阿拉伯糖操纵子二、阿拉伯糖操纵子(ara O)v特点：特点：v（1）参与阿拉伯糖的酶基因分为
36、三个操纵元，）参与阿拉伯糖的酶基因分为三个操纵元，araBAD，araE，araFG，由一个共同的，由一个共同的araC基因调控。基因调控。v（2）具有双重功能（正调控和负调控）的调）具有双重功能（正调控和负调控）的调节蛋白质（节蛋白质（araC）。）。v在在araBAD操纵子中有两个转录相反的启动子，操纵子中有两个转录相反的启动子，一个是一个是araPBAD启动子，负责启动子，负责araBAD的转录，的转录，紧邻于这个启动子是调结位点紧邻于这个启动子是调结位点araI；另一个；另一个是是araPC启动子，负责调控基因启动子，负责调控基因araC的转录，的转录，在这个启动子内部及其下游有两个调
37、节基因在这个启动子内部及其下游有两个调节基因的调节位点，分别是的调节位点，分别是araO1和和araO2。 ara 操纵子的结构araIvaraC基因编码的基因编码的AraC蛋白存在两种形式，一蛋白存在两种形式，一种即为单纯的种即为单纯的AraC蛋白，其表现为具有阻遏蛋白，其表现为具有阻遏功能，也称为功能，也称为Crep；另一种为；另一种为AraC蛋白和阿蛋白和阿拉伯糖结合形成的复合体拉伯糖结合形成的复合体Cind，具有诱导功，具有诱导功能。能。vCrep结合于操作子结合于操作子araO1时，反馈性地阻遏时，反馈性地阻遏了其本身的表达。当复合体了其本身的表达。当复合体Cind结合于操作结合于操
38、作子子araI区时，能促使区时，能促使RNA聚合酶结合于聚合酶结合于araPBAD位点转录位点转录araB、araA和和araD三个三个基因，表现为正调控。基因，表现为正调控。v当生长环境中葡萄糖含量高（导致当生长环境中葡萄糖含量高（导致cAMP处处于低浓度），阿拉伯糖含量低或高时，于低浓度），阿拉伯糖含量低或高时，araC基因本底转录，产生少量的基因本底转录，产生少量的AraC蛋白，反馈蛋白，反馈结合于操作子结合于操作子araO1，使，使RNA聚合酶不能结聚合酶不能结合合araPC，araC基因的转录受到阻遏。基因的转录受到阻遏。v当环境中葡萄糖含量低（相应当环境中葡萄糖含量低（相应cAMP
39、高），高），阿拉伯糖含量高时，阿拉伯糖和少量的阿拉伯糖含量高时，阿拉伯糖和少量的AraC蛋白结合形成了诱导型的复合物蛋白结合形成了诱导型的复合物Cind，它作，它作为正调控因子结合于操作子为正调控因子结合于操作子araI，协同，协同cAMP-CAP促进促进RNA聚合酶与聚合酶与araPBAD的结的结合，转录产生了三种酶，使合，转录产生了三种酶，使Ara分解；分解；v当由于当由于araBAD编码的蛋白质的代谢使得阿拉编码的蛋白质的代谢使得阿拉伯糖含量降低时，伯糖含量降低时，AraC又转换成一个阻遏物，又转换成一个阻遏物，过量的过量的AraC蛋白可以结合在操作子蛋白可以结合在操作子araO1上，上
40、，阻碍阻碍RNA聚合酶在此区域结合，从而关闭了聚合酶在此区域结合，从而关闭了操纵子；或者结合到操作子操纵子；或者结合到操作子araI和和araO2上，上，彼此相互作用形成一个约彼此相互作用形成一个约210碱基对的环，阻碱基对的环，阻遏遏araPBAD和和araPC的启动。的启动。特点（3）AraC有三个结合位点有三个结合位点(O1,O2和和araI)(4)是调节子是调节子(regulon)(5)双向转录；双向转录；(6)Pc和和O1重叠；重叠；(7)C自身调节自身调节调节 有有Glu,无无CAPC本底转录，产少量本底转录，产少量v有有AraAraC,结合于结合于O1,停止转录；停止转录； 无无
41、Glu,有有CAPAra+CCindaraI ara P BAD转录；转录；v无无Ara或用完：或用完：C过量，可结合到过量，可结合到araO1,阻遏阻遏araPc,还可结合到还可结合到araI和和araO2上，成上，成环，阻遏转录。环，阻遏转录。第四节第四节基因转录的时序调控基因转录的时序调控v v时序调控时序调控:原核生物的生长发育的各个阶段原核生物的生长发育的各个阶段,如如细胞分裂细胞分裂,芽孢的形成芽孢的形成,噬菌体的复制和噬菌体噬菌体的复制和噬菌体颗粒的装配等，基因的表达是按照一定的时颗粒的装配等，基因的表达是按照一定的时间顺序而展现的。这种调控机制称为时序调间顺序而展现的。这种调控
42、机制称为时序调控。控。v基因表达的时序调控，大多是通过一种或几基因表达的时序调控，大多是通过一种或几种蛋白质因子与种蛋白质因子与RNA聚合酶相互作用而实现。聚合酶相互作用而实现。v这些蛋白质因子有的替代原有的这些蛋白质因子有的替代原有的亚基以协助亚基以协助核心酶识别特定的启动子；有的则修饰核心酶识别特定的启动子；有的则修饰RNA聚合酶的核心酶并同时更换聚合酶的核心酶并同时更换亚基；有的蛋白亚基；有的蛋白子因子有些子因子有些RNA聚合酶和转录终止子的作用，聚合酶和转录终止子的作用，从而控制不同阶段基因的表达。从而控制不同阶段基因的表达。一、枯草杆菌中一、枯草杆菌中亚基的更迭亚基的更迭1枯草杆菌噬
43、菌体枯草杆菌噬菌体SPO1早、中、晚基因表达的转换早、中、晚基因表达的转换SPO1是一种是一种烈性噬菌体烈性噬菌体，其生活史分为早、中、，其生活史分为早、中、晚三个时期。在侵染后，早期基因立即被转录。执晚三个时期。在侵染后，早期基因立即被转录。执行这个任务的酶是寄主的行这个任务的酶是寄主的RNA聚合酶全酶聚合酶全酶255。与此相对应的是早期基因的启动子的。与此相对应的是早期基因的启动子的-10序列和序列和-35序列与寄主的一致序列很相似。在侵染序列与寄主的一致序列很相似。在侵染45分钟分钟后，早期基因停止表达而开始转录中期基因。侵染后，早期基因停止表达而开始转录中期基因。侵染后后812分钟，则
44、中期基因转录又被晚期基因的转录分钟，则中期基因转录又被晚期基因的转录所取代。所取代。SPO1怎样从早进入中、晚期？怎样从早进入中、晚期？vSPO1中、晚期基因的表达需要三种中、晚期基因的表达需要三种SPO1自身的自身的28、33和和34调节基因的表达。基因调节基因的表达。基因28为早期基因。寄主的为早期基因。寄主的RNA聚合聚合酶转录早期基因就产生调节蛋白酶转录早期基因就产生调节蛋白gp28。gp28取代取代55并与并与RNA聚合酶结合，从而使聚合酶结合，从而使RNA聚合酶对早期基因的启动子聚合酶对早期基因的启动子不识别，但能识别中期基因的启动子。不识别，但能识别中期基因的启动子。gp33和和
45、gp34是晚期基是晚期基因表达的调节蛋白，它们能取代因表达的调节蛋白，它们能取代gp28和和55并使并使RNA聚合酶聚合酶只能识别晚期基因的启动子。只能识别晚期基因的启动子。v这种连续更换这种连续更换亚基的途径使亚基的途径使SPO1的早、中、晚期三个阶的早、中、晚期三个阶段的基因能有条不紊的表达。段的基因能有条不紊的表达。因子的更换用于噬菌体时序调节2枯草杆菌孢子生成过程中枯草杆菌孢子生成过程中亚基的替换亚基的替换v枯草杆菌（枯草杆菌（B.subtilis）中）中因子用于转录起始的调因子用于转录起始的调节节v大部分大部分因子转换的例子都发生在孢子形成因子转换的例子都发生在孢子形成（sporul
46、ation）中）中v孢子形成分为三个阶段孢子形成分为三个阶段v（1）DNA复制；复制；v（2）在细胞的一端基因组被分离；）在细胞的一端基因组被分离；v（3）分离的基因组外包上一层子外壳。）分离的基因组外包上一层子外壳。涉及三种涉及三种因子因子v55、37和和29。它们的职责使不同的：含有它们的职责使不同的：含有55的的RNA聚合酶只识别营养基因的启动子；聚合酶只识别营养基因的启动子；含有含有37的聚合酶能识别早期孢子形成基因的的聚合酶能识别早期孢子形成基因的启动子；含有启动子；含有29的聚合酶则负责中、晚期孢的聚合酶则负责中、晚期孢子形成基因的转录。子形成基因的转录。H43KKG F对对 E的
47、活性控制的活性控制v在前孢子中由早期基因产生在前孢子中由早期基因产生 G, G使使RNA聚聚合酶在合酶在前孢子转录晚期孢子形成基因。前孢子转录晚期孢子形成基因。v另一个早期孢子形成基因产物负责和母细胞另一个早期孢子形成基因产物负责和母细胞中的成分联系中的成分联系, F激活激活SpoR,SpoR由由前前孢子分泌，然后它激活膜结合蛋白孢子分泌，然后它激活膜结合蛋白SpoGA，v活化的活化的SpoGA在母细胞中剪切失活的前在母细胞中剪切失活的前体物体物Pro- E使其成为活化因子使其成为活化因子 E。二、大肠杆菌热休克基因的表达二、大肠杆菌热休克基因的表达v大肠杆菌在正常的生长条件下，没有大肠杆菌在
48、正常的生长条件下，没有亚基的亚基的替换现象。但让大肠杆菌生长在较高的温度替换现象。但让大肠杆菌生长在较高的温度下（下（4250），某些基因则迅速表达。这种），某些基因则迅速表达。这种现象即称为现象即称为热休克反应热休克反应。v在在热休克反应热休克反应中大量表达的基因称为中大量表达的基因称为热休克热休克基因基因。v有些热休克基因产物的氨基酸序列在不同种有些热休克基因产物的氨基酸序列在不同种属中高度相关。属中高度相关。因子的替代可以控制起始因子的替代可以控制起始v在在E.coliE.coli，不不同同类类型型的的启启动动子子需需要要不不同同类型的类型的因子因子v热休克基因热休克基因（heat sh
49、ock genesheat shock genes）v从大肠杆菌到人类都具有热休克基因。温度升高，从大肠杆菌到人类都具有热休克基因。温度升高，正在进行的蛋白质合成就停止或减少，而一系列新正在进行的蛋白质合成就停止或减少，而一系列新蛋白质则被合成。新蛋白质是热激基因的产物，它蛋白质则被合成。新蛋白质是热激基因的产物，它们保护细胞免受环境热激的损伤，并且可在其它类们保护细胞免受环境热激的损伤，并且可在其它类似热激的情况下被合成。似热激的情况下被合成。v有些热休克基因产物的氨基酸序列在不同种属中高有些热休克基因产物的氨基酸序列在不同种属中高度相关，甚至核苷酸序列也有相关性，如分子量为度相关，甚至核苷
50、酸序列也有相关性，如分子量为66KDa的的DnaK的基因有近一半的核苷酸序列与果的基因有近一半的核苷酸序列与果蝇的热休克蛋白蝇的热休克蛋白Hsp70的基因相同。的基因相同。三、修饰核心酶、替换三、修饰核心酶、替换亚基亚基vT4噬噬菌菌体体的的时时序序调调节节依依赖赖本本身身携携带带的的蛋蛋白白对对宿宿主主的的核核心心酶酶加加以以修修饰饰,改改变变其其和和亚亚基基的的结结合合能能力力,乘乘机机将将本本身身编编码码的的蛋蛋白白取取代代原原来来的的亚亚基基,从从而而改改变变RNA聚聚合合酶酶的的识识别别能能力力。不不同同的的生生长长期期需需要要不不同同的的基基因因表表达。达。v内部蛋白内部蛋白：在：
51、在T4噬菌体头部的集中小蛋白质分子，噬菌体头部的集中小蛋白质分子，其中一种是其中一种是ADP-核糖转移酶核糖转移酶（ADPRT）。ADPRT可以将一个或两个可以将一个或两个ADP核糖基连接到核糖基连接到RNA聚合酶聚合酶亚基的精氨酸胍上。亚基的精氨酸胍上。v经过修饰的经过修饰的亚基使核心酶对寄主亚基使核心酶对寄主亚基的亲和力下亚基的亲和力下降，对降，对T4基因所编码的蛋白基因所编码的蛋白Mot的亲和力提高的亲和力提高。Mot取代原来的取代原来的亚基，降低了亚基，降低了RNA聚合酶对寄主聚合酶对寄主基因和基因和T4本身第一批早期基因的识别能力。本身第一批早期基因的识别能力。v在转录晚期基因时，在
52、转录晚期基因时，RNA聚合酶已被高度修饰：两聚合酶已被高度修饰：两个个亚基分别结合了一个亚基分别结合了一个ADP-核糖基，另外还有四核糖基，另外还有四个蛋白因子结合于酶分子。这种现象称为个蛋白因子结合于酶分子。这种现象称为超修饰超修饰（supermodified）。）。四、四、RNARNA聚合酶的代换聚合酶的代换vT T7 7噬噬菌菌体体的的时时序序调调控控根根据据自自身身的的感感染染特特点采用了点采用了RNARNA聚合酶的代换来进行。聚合酶的代换来进行。v由以上可以看出，由以上可以看出，T7首先时利用寄主的首先时利用寄主的RNA聚合酶转录产生自身的聚合酶转录产生自身的RNA聚合酶及蛋白质聚合
53、酶及蛋白质激酶，自己的激酶，自己的RNA聚合酶又用来转录产生寄聚合酶又用来转录产生寄主主RNA聚合酶的抑制剂，从而完全关闭了寄聚合酶的抑制剂，从而完全关闭了寄主的转录体系，建立了自己的转录体系。主的转录体系，建立了自己的转录体系。v这些事例都说明转录水平的调控是最主要和这些事例都说明转录水平的调控是最主要和最重要的调控机制。最重要的调控机制。第五节第五节以翻译方式来控制基因转录以翻译方式来控制基因转录v衰减子系统衰减子系统 色氨酸操纵子色氨酸操纵子 v1.结构结构v2.特点特点:(1)trpR(89)和和trpABCDE(25)不连锁；不连锁；(2)操纵基因在启动子内操纵基因在启动子内(3)启
54、动子和结构基因不直接相连，二者被启动子和结构基因不直接相连，二者被前导顺序前导顺序(Leader)所所隔开隔开(4)有衰减子有衰减子(attenuator)调节调节v(1)Trp作为辅阻遏物作为辅阻遏物(corepressor)v(2)阻遏物和阻遏物和RNApol在在P,O重叠区产生竞争重叠区产生竞争性抑制；性抑制；v(3)阻遏物的阻遏能力低，是阻遏物的阻遏能力低，是LacR的的1/千；千；(4) trpO调节合成代谢，存在衰减作用。调节合成代谢，存在衰减作用。 衰减作用衰减作用v1978年年 yanofsky发发 现现 前前 导导 序序 列列 （ leadersequence）vAttenu
55、ation(衰减衰减)：控制一些细菌启动子表达中涉：控制一些细菌启动子表达中涉及的转录终止调控。及的转录终止调控。vAttenuator(衰减子衰减子)：衰减发生处的一种内部终止：衰减发生处的一种内部终止子序列。子序列。v衰减作用：原核生物中通过翻译前导肽而实现控制衰减作用：原核生物中通过翻译前导肽而实现控制DNA的转录的调控方式。的转录的调控方式。v在在trpmRNA5端端trpE基因的起始密码前有一个长基因的起始密码前有一个长162bp的的mRNA片段被称为前导区，研究发现，当片段被称为前导区，研究发现，当mRNA合成起始以后，除非培养基中完全没有色氨合成起始以后，除非培养基中完全没有色氨
56、酸，转录总是在这个区域终止，产生一个仅有酸，转录总是在这个区域终止，产生一个仅有140个核苷酸的个核苷酸的RNA分子，终止分子，终止trp基因转录。基因转录。v分析前导肽序列，发现它包括起始密码子分析前导肽序列，发现它包括起始密码子AUG和终和终止密码子止密码子UGA，编码了一个，编码了一个14个氨基酸的多肽。该个氨基酸的多肽。该多肽有一个特征，其第多肽有一个特征，其第10位和位和11位有相邻的两个色位有相邻的两个色氨酸密码子。正是这两个相连的色氨酸密码子（组氨酸密码子。正是这两个相连的色氨酸密码子（组氨酸、苯丙氨酸操纵子中都有这种现象）调控了蛋氨酸、苯丙氨酸操纵子中都有这种现象）调控了蛋白质
57、的合成。白质的合成。v前导序列中有前导序列中有4个富含个富含GC片断，以两种不同片断，以两种不同的方式进行碱基配对，有时是的方式进行碱基配对，有时是12和和34配配对，有时只以对，有时只以23方式配对。方式配对。v衰减子衰减子（attenuator）：细菌细菌E.coli的的trp操纵子中第操纵子中第一个结构基因与启动序列一个结构基因与启动序列P之间有一衰减子区域。之间有一衰减子区域。Trp操纵子的序列操纵子的序列1中有两个色氨酸密码子，当色氨中有两个色氨酸密码子，当色氨酸浓度很高时，核蛋白体（核糖体）很快通过编码酸浓度很高时，核蛋白体（核糖体）很快通过编码序列序列1，并封闭序列，并封闭序列2
58、，这种与转录偶联进行的翻译，这种与转录偶联进行的翻译过程导致序列过程导致序列3、4形成一个不依赖形成一个不依赖（rho）因子的）因子的终止结构终止结构-衰减子。衰减子。v转录衰减是原核生物特有的调控机制。转录衰减是原核生物特有的调控机制。 原核生物转录、原核生物转录、翻译偶联翻译偶联图15-8vv高高高高TrpTrpTrpTrp时：时：时：时： Trp-tRNATrp-tRNATrp-tRNATrp-tRNATrpTrpTrpTrp 存在存在存在存在 核糖体通过片段核糖体通过片段核糖体通过片段核糖体通过片段1(21(21(21(2个个个个TrpTrpTrpTrp密码子密码子密码子密码子) )
59、) ) 封闭片段封闭片段封闭片段封闭片段2 2 2 2 片段片段片段片段3 3 3 3，4 4 4 4形成发夹结构形成发夹结构形成发夹结构形成发夹结构 类似于不依赖类似于不依赖类似于不依赖类似于不依赖因子的转录终止序列因子的转录终止序列因子的转录终止序列因子的转录终止序列 RNARNARNARNA聚合酶停止转录聚合酶停止转录聚合酶停止转录聚合酶停止转录, , , ,产生衰减子转录产物产生衰减子转录产物产生衰减子转录产物产生衰减子转录产物转录、翻译偶联转录、翻译偶联转录、翻译偶联转录、翻译偶联, , , ,产生前导肽产生前导肽产生前导肽产生前导肽vv低低TrpTrp时：时： Trp-tRNATr
60、p-tRNATrpTrp 没有供应没有供应 核糖体翻译停止在片段核糖体翻译停止在片段核糖体翻译停止在片段核糖体翻译停止在片段1 1 1 1 （2 2 2 2个个个个TrpTrpTrpTrp密码子）密码子）密码子）密码子） 片段片段片段片段2 2 2 2，3 3 3 3 形成发夹结构形成发夹结构形成发夹结构形成发夹结构 转录不终止转录不终止转录不终止转录不终止 RNARNARNARNA聚合酶继续转录聚合酶继续转录聚合酶继续转录聚合酶继续转录除了除了Trp操纵子外，其他许多负责氨操纵子外，其他许多负责氨基酸的操纵子都受衰减子的调控基酸的操纵子都受衰减子的调控v细菌演化出衰减子调控系统的生物学意义可
61、能细菌演化出衰减子调控系统的生物学意义可能是：是：活性阻遏物和非活性阻遏物的转变可能较慢，活性阻遏物和非活性阻遏物的转变可能较慢，而而tRNA荷载与否可能更为灵敏；荷载与否可能更为灵敏；氨基酸的主要用途是合成蛋白质，因而以氨基酸的主要用途是合成蛋白质，因而以tRNA荷载情况为标准来进行控制可能更为恰荷载情况为标准来进行控制可能更为恰当；当；v为什么大多数操纵子又同时需要阻遏蛋白呢？为什么大多数操纵子又同时需要阻遏蛋白呢？v因为衰减子系统需要先转录出前导肽因为衰减子系统需要先转录出前导肽mRNA，然后根据前导，然后根据前导肽的翻译情况来决定肽的翻译情况来决定mRNA是否继续转录，而当氨基酸含量是
62、否继续转录，而当氨基酸含量丰富时，则无需转录而关闭丰富时，则无需转录而关闭mRNA的转录活性。的转录活性。v也就是说，需要一个决定基础水平的控制系统，当细胞内氨也就是说，需要一个决定基础水平的控制系统，当细胞内氨基酸高于某一水平时，可通过阻遏蛋白，而只有低于这一水基酸高于某一水平时，可通过阻遏蛋白，而只有低于这一水平时，才需要用衰减子进行精细调节。平时，才需要用衰减子进行精细调节。 第六节六节翻译的调控翻译的调控v转录水平的调控是最主要的，也是最经济，转录水平的调控是最主要的，也是最经济，最有效的方式。但转录生成最有效的方式。但转录生成mRNA以后，再以后，再在翻译或翻译后水平进行微调，是对转
63、录调在翻译或翻译后水平进行微调，是对转录调控的有效补充。控的有效补充。v翻译的过程可分为三种不同的阶段翻译的过程可分为三种不同的阶段起始、起始、延伸和终止。延伸和终止。 一、翻译起始的调控一、翻译起始的调控v1反义反义RNA的调控的调控1983年，年，Mizuno和和Simon等科学家发现等科学家发现了反义了反义RNA对于基因表达的调控作用，从而对于基因表达的调控作用，从而揭示了一种新的基因表达调控机制，揭示了一种新的基因表达调控机制，RNA作作为调节物同样能形成一调节网络。为调节物同样能形成一调节网络。 v反义反义RNA的靶顺序是单链核苷酸顺序，其功能是和靶顺序互的靶顺序是单链核苷酸顺序，其
64、功能是和靶顺序互补，形成一个双链区。补，形成一个双链区。v其互补结合位点通常是其互补结合位点通常是mRNA上的上的SD序列（或称为核糖体序列（或称为核糖体结合位点结合位点RBS）、起始密码子）、起始密码子AUG和部分和部分N端的密码子，从端的密码子，从而阻遏了核糖体的结合，抑制而阻遏了核糖体的结合，抑制mRNA的翻译。人们称这类的翻译。人们称这类RNA为为干扰干扰mRNA的互补的互补RNA（mic-RNA,mRNA-interferingcomplementaryRNA）。）。vMizuno等在研究渗透压的变化对大肠杆菌外等在研究渗透压的变化对大肠杆菌外膜蛋白的基因表达的影响时发现，在膜蛋白的
65、基因表达的影响时发现，在E.coli中中有两种外膜蛋白有两种外膜蛋白OmpC和和OmpF，在渗透压，在渗透压增高时增高时OmpC产量增加，在渗透压减小时产量增加，在渗透压减小时OmpC产量受到控制；产量受到控制；v与此相反，另一种膜蛋白与此相反，另一种膜蛋白OmpF在高渗透压在高渗透压条件下产量受控，而低渗时其产量增加。条件下产量受控，而低渗时其产量增加。v高渗时，高渗时，OmpC合成增多，而合成增多，而OmpF的合成受到控制；低渗的合成受到控制；低渗时，则相反。两种蛋白质的含量随着渗透压的变化而改变，时，则相反。两种蛋白质的含量随着渗透压的变化而改变，但两种蛋白质的总量不变。但两种蛋白质的总
66、量不变。v调控机制：当调控机制：当ompC基因转录时，在基因转录时，在ompC基因的启动子上基因的启动子上游方向有一段游方向有一段DNA序列，以相反的方向同时转录产生一个序列，以相反的方向同时转录产生一个174个核苷酸的个核苷酸的RNA，这个，这个RNA能与能与OmpFmRNA的前导序的前导序列中的列中的44个核苷酸及编码区域形成杂和双链，从而抑制了个核苷酸及编码区域形成杂和双链，从而抑制了OmpFmRNA的翻译。的翻译。OmpC转录得越多，转录得越多，micF也就越多，也就越多，OmpF蛋白就越少。蛋白就越少。v意义：意义：（1）反义反义RNA可以用于研究基因的功能。可以用于研究基因的功能。
67、v传统的方法是使基因的某些碱基发生突变，再传统的方法是使基因的某些碱基发生突变，再观察其表型，但常有无声突变或渗漏突变产生，影观察其表型，但常有无声突变或渗漏突变产生，影响对突变效应的观察。响对突变效应的观察。v而反义而反义RNA对基因的抑制比较完全，而且是对基因的抑制比较完全，而且是专专一性一性的。只要将一个不含启动子的克隆基因或其片的。只要将一个不含启动子的克隆基因或其片断的断的3末端以相反的方向接上一个启动子，然后通末端以相反的方向接上一个启动子，然后通过载体引入细胞，就能在细胞内产生反义过载体引入细胞，就能在细胞内产生反义RNA以抑以抑制染色体上相应基因的表达。制染色体上相应基因的表达
68、。v（2）用于人类疾病的治疗。）用于人类疾病的治疗。2mRNA5端对翻译起始的调控端对翻译起始的调控vmRNA的翻译能力主要受控于的翻译能力主要受控于5端的结合序列端的结合序列vSD序列是位于起始密码子上游约序列是位于起始密码子上游约47个核苷酸之前个核苷酸之前的一段富含嘌呤的的一段富含嘌呤的5AGGAGG3短小序列，它可以短小序列，它可以与核糖体与核糖体16SrRNA3UCCUCC5完全互补。完全互补。vSD序列与序列与16SrRNA3端的相应序列配对端的相应序列配对对于翻译的起始是很重要的。强的控制部位对于翻译的起始是很重要的。强的控制部位造成翻译起始频率高，反之则翻译频率低。造成翻译起始
69、频率高，反之则翻译频率低。 v同时，与核糖体的结合强度还取决于同时，与核糖体的结合强度还取决于SD序列序列与起始密码与起始密码AUG之间的距离。之间的距离。SD与与AUG之之间相距一般以间相距一般以410个核苷酸为佳，个核苷酸为佳，9个核苷个核苷酸为最佳。酸为最佳。 vmRNA的的5端二级结构也是翻译起始调控的重要因端二级结构也是翻译起始调控的重要因素。素。v因为核糖体的因为核糖体的30S亚基必须与亚基必须与mRNA结合，才能开结合，才能开始翻译。所以要求始翻译。所以要求mRNA5端要有一定的空间结端要有一定的空间结构。构。SD序列的微小变化，往往就会导致表达效率上序列的微小变化，往往就会导致
70、表达效率上百倍甚至上千倍的差异，这是由于核苷酸的变化改百倍甚至上千倍的差异，这是由于核苷酸的变化改变了形成变了形成mRNA5端二级结构的自由能，影响了端二级结构的自由能，影响了核糖体核糖体30S亚基与亚基与mRNA的结合，从而造成了蛋白的结合，从而造成了蛋白质合成效率上的差异。质合成效率上的差异。3. mRNA3. mRNA的二级结构对翻译调控的二级结构对翻译调控vE.coliE.coli的的RNARNA噬噬菌菌体体MSMS2 2,R17,f2,R17,f2和和QQ都都非非常常小小（直直径径约约为为250250）, ,是是最最简简单单的的病病毒毒。基基因因组组长长360036004200nt4
71、200nt，只含，只含4 4个基因，其中个基因，其中3 3个基因序列很类似个基因序列很类似v：依依次次是是附附着着蛋蛋白白A A、衣衣壳壳蛋蛋白白基基因因cpcp、复复制制酶酶reprep基基因、最后基因为因、最后基因为lyslys。vCP(coatCP(coat protein) protein)含含129aa,MW129aa,MW为为13.7KDa13.7KDa。vA A（atachmentatachment）编编码码附附着着蛋蛋白白（含含393393氨氨aaaa，MWMW为为44KDa44KDa）。）。vRepRep（replicasereplicase）编编码码复复制制酶酶（含含544
72、aa544aa，MWMW为为61KKDa61KKDa）。）。vlyslys（lysislysis）基基因因编编码码裂裂解解蛋蛋白白, ,和和cpcp，RepRep基因重叠基因重叠，该蛋白含，该蛋白含75aa75aa。v以以R17为例。当为例。当R17的的RNA进入寄主子细胞后，分子内形成进入寄主子细胞后，分子内形成许多碱基配对的二级结构，许多碱基配对的二级结构，A基因和基因和rep基因的核糖体结合位基因的核糖体结合位点均处于二级结构中，只有点均处于二级结构中，只有CP基因的核糖体结合位点游离基因的核糖体结合位点游离于二级结构之外，可以为核糖体识别而合成衣壳蛋白。核糖于二级结构之外，可以为核糖体
73、识别而合成衣壳蛋白。核糖体对体对CP基因的翻译冲开了基因的翻译冲开了rep基因核糖体结合位点的二级结基因核糖体结合位点的二级结构，核糖体才与之结合翻译构，核糖体才与之结合翻译RNA复制酶。复制酶。v因此因此Rep基因总是依赖于位于前面的基因总是依赖于位于前面的CP位点和核糖位点和核糖体的结合。体的结合。v虽然虽然Rep基因的核糖体结合位点每次都被基因的核糖体结合位点每次都被CP基因的翻译所打基因的翻译所打开，但是开，但是RNA噬菌体的噬菌体的CP蛋白多肽链产生的量要比复制酶蛋白多肽链产生的量要比复制酶多肽链多得多，这就意味着其间存在一种调控：多肽链多得多，这就意味着其间存在一种调控：新产生的外
74、新产生的外壳蛋白的亚基可以特异地附着到壳蛋白的亚基可以特异地附着到Rep基因的核糖体结合位点，基因的核糖体结合位点，阻止了核糖体的附着。阻止了核糖体的附着。v这样外壳蛋白就成了复制酶基因的特异性翻译阻遏物。这样外壳蛋白就成了复制酶基因的特异性翻译阻遏物。在感在感染染10分钟后，分钟后，外壳蛋白足以阻断复制酶的进一步合成。这样外壳蛋白足以阻断复制酶的进一步合成。这样就避免了合成过多的复制酶而造成浪费。就避免了合成过多的复制酶而造成浪费。vRNA复制酶合成后，便与寄主的三个蛋白质分子复制酶合成后，便与寄主的三个蛋白质分子Tu、Ts和和S1结合为结合为RNA复制酶复合体。复制酶复合体。v其中其中RN
75、A复制酶起催化作用，复制酶起催化作用，Tu和和Ts负责识别正链负责识别正链和负链模板的和负链模板的3末端从而促使复制的起始。末端从而促使复制的起始。vS1只有在以正链为模板复制时是所必须的。这可能只有在以正链为模板复制时是所必须的。这可能是因为噬菌体进入细胞后只有唯一的正链模板，是因为噬菌体进入细胞后只有唯一的正链模板，S1能够帮助复制酶复合体识别噬菌体能够帮助复制酶复合体识别噬菌体RNA上的特定结上的特定结合位点。合位点。vA蛋白的翻译是趁开始复制时，其位点裸露了出来，蛋白的翻译是趁开始复制时，其位点裸露了出来，在尚未形成二级结构之前核糖体结合上去，进行翻在尚未形成二级结构之前核糖体结合上去
76、，进行翻译产生译产生A蛋白的。当结合了蛋白的。当结合了12个核糖体后，互补序个核糖体后，互补序列就复制完毕，核糖体再也无法进行翻译活动。也列就复制完毕，核糖体再也无法进行翻译活动。也就是说，每产生一个正链，大约合成了就是说，每产生一个正链，大约合成了12个个A蛋白。蛋白。实际上，每个成熟的噬菌体颗粒只含有一分子的实际上，每个成熟的噬菌体颗粒只含有一分子的A蛋白，因此这种调控是十分经济有效的。蛋白，因此这种调控是十分经济有效的。vmRNA的二级结构不但可以通过影响核糖体的结合的二级结构不但可以通过影响核糖体的结合而实现调控，而且而实现调控，而且mRNA的二级结构也是决定其寿的二级结构也是决定其寿
77、命的重要因素之一。命的重要因素之一。4.mRNA的寿命对基因表达的调控的寿命对基因表达的调控v原核生物的原核生物的mRNA的半衰期很短，但不同的的半衰期很短，但不同的mRNA有不同的降解速度。有不同的降解速度。v，一般大多数，一般大多数mRNA的半衰期为的半衰期为23分钟，分钟，这样就能使细菌迅速适应环境的变化。但是这样就能使细菌迅速适应环境的变化。但是细菌中各种细菌中各种mRNA的半衰期还是有相当大的的半衰期还是有相当大的差异，决定其寿命的许多因素都影响到基因差异，决定其寿命的许多因素都影响到基因的表达。的表达。v降解降解mRNA的酶有两种：的酶有两种：RNaseII和多核苷和多核苷酸磷酸化
78、酶，这两种酶都是酸磷酸化酶，这两种酶都是35的外切酶，但的外切酶，但mRNA的二级结构可以阻遏这些酶的作用。的二级结构可以阻遏这些酶的作用。v人们发现不依赖于人们发现不依赖于因子的终止子结构使其因子的终止子结构使其mRNA更为稳定。更为稳定。 v两个实验现象两个实验现象：v（1）基因融合实验发现，终止子序列给融合）基因融合实验发现，终止子序列给融合基因带来更大的稳定性。基因带来更大的稳定性。v（2）凡是降低终止子中柄）凡是降低终止子中柄-噜噗结构强度的噜噗结构强度的突变都造成突变都造成mRNA稳定性的降低。稳定性的降低。v由上可见，由上可见，终止子结构的意义不仅在于转录终止子结构的意义不仅在于
79、转录的终止，而且决定了的终止，而且决定了mRNA的寿命。的寿命。v但具有不依赖但具有不依赖因子的终止子结构的某些因子的终止子结构的某些mRNA仍然是不稳定的。这表明，可能存在仍然是不稳定的。这表明，可能存在具有一定序列专一性的核酸内切酶能影响具有一定序列专一性的核酸内切酶能影响mRNA的稳定性。的稳定性。v典型的例子是典型的例子是噬菌体噬菌体int基因的表达。噬菌基因的表达。噬菌体在其生活的不同时期，能产生三种不同的体在其生活的不同时期，能产生三种不同的但都包含但都包含int基因的基因的mRNA。v（1）早期，噬菌体还未决定进入溶原时期，此时噬菌体不）早期，噬菌体还未决定进入溶原时期，此时噬菌
80、体不需要整合酶。需要整合酶。由于抗终止蛋白由于抗终止蛋白N的作用，左向转录物的作用，左向转录物L2（包含（包含int基因基因）就越过终止子）就越过终止子tL2直至一个很强的终止子处才停止转录。这直至一个很强的终止子处才停止转录。这样，就形成了二个柄样，就形成了二个柄-噜噗结构。后附加的柄噜噗结构。后附加的柄-噜噗结构恰好噜噗结构恰好构成构成RNAase的识别位点和作用位点（又称为的识别位点和作用位点（又称为sib位点），位点），在此处将左向转录物在此处将左向转录物L2切断。这样，整合酶切断。这样，整合酶mRNA的的3端就端就暴露于外切核酸酶之下而被很快分解。暴露于外切核酸酶之下而被很快分解。由
81、于整合酶由于整合酶mRNA的降解是从的降解是从3向向5方向进行，因此方向进行，因此sib位点对于整合酶基因的表达的负调控又称为位点对于整合酶基因的表达的负调控又称为返回调控返回调控。（2）溶原生长期。在）溶原生长期。在C蛋白的帮助下，从蛋白的帮助下，从P1起始转起始转录整合酶基因。这时录整合酶基因。这时RNA聚合酶没有受到聚合酶没有受到N蛋白的蛋白的修饰，转录至修饰，转录至tL2终止子时即终止。终止子时即终止。由于的转录物形成具有由于的转录物形成具有11个碱基对的柄个碱基对的柄-噜噗结噜噗结构，从而保护了整合酶构，从而保护了整合酶mRNA的的3末端受到外切核末端受到外切核酸酶的攻击。酸酶的攻击
82、。由于由于P1位于切除酶位于切除酶xis基因内，因此从基因内，因此从P1发起发起的转录只能表达整合酶基因，而没有切除酶的产生。的转录只能表达整合酶基因，而没有切除酶的产生。（3）当受到外界因素的诱导，噬菌体与染色体分离。）当受到外界因素的诱导，噬菌体与染色体分离。这一过程的实现需要切除酶这一过程的实现需要切除酶xis基因和整合酶基基因和整合酶基因的表达。这两个基因的转录物都包含在从因的表达。这两个基因的转录物都包含在从PL起始转起始转录的录的mRNAL2中。这个中。这个L2与游离的噬菌体所产生的与游离的噬菌体所产生的L2不同，它不包含不同，它不包含sib位点，因而不存在位点，因而不存在返回调控
83、返回调控。这样，左向转录物中的切除酶和整合酶都能表达。这这样，左向转录物中的切除酶和整合酶都能表达。这两种基因产物使噬菌体从溶原状态转变为裂解生长的两种基因产物使噬菌体从溶原状态转变为裂解生长的过程所必须的。过程所必须的。5.蛋白质合成的自体调控蛋白质合成的自体调控有些蛋白质能直接控制自身有些蛋白质能直接控制自身mRNA的可翻译性。的可翻译性。这类蛋白大多是核酸结合蛋白或者与核酸分这类蛋白大多是核酸结合蛋白或者与核酸分子相互作用作为其生理功能的蛋白质。子相互作用作为其生理功能的蛋白质。以大肠杆菌的蛋白质合成的核糖体蛋白质的自以大肠杆菌的蛋白质合成的核糖体蛋白质的自体调控为例。体调控为例。核糖体
84、蛋白质合成的自体调控核糖体蛋白质合成的自体调控对于对于mRNA可翻译性的控制，大多是控制翻译的可翻译性的控制，大多是控制翻译的起始，即控制核糖体和起始，即控制核糖体和mRNA的结合。的结合。大肠杆菌的核糖体蛋白质有大肠杆菌的核糖体蛋白质有50多种。绝大多数核多种。绝大多数核糖体蛋白质（糖体蛋白质（L7/L12，每个核糖体种由，每个核糖体种由4个分个分子）在每个核糖体中只有一个分子，因此它们子）在每个核糖体中只有一个分子，因此它们的表达必须与的表达必须与rRNA相协调。相协调。v上表中，每个操纵元都有一个自己的调控蛋上表中，每个操纵元都有一个自己的调控蛋白。这种调控蛋白质全部为核糖体蛋白质，白。
85、这种调控蛋白质全部为核糖体蛋白质，而且都是在核糖体中直接与而且都是在核糖体中直接与rRNA相结合的蛋相结合的蛋白质。这些白质。这些mRNA上与调控蛋白质相结合的上与调控蛋白质相结合的序列与序列与rRNA上这一蛋白质结合的序列由很大上这一蛋白质结合的序列由很大的同源性，并由形状相似的二级结构。二者的同源性，并由形状相似的二级结构。二者都能与其调控作用的核糖体蛋白结合，但都能与其调控作用的核糖体蛋白结合，但rRNA的结合能力大于各的结合能力大于各mRNA。v当细胞内核糖体蛋白质较少时，即有游离的当细胞内核糖体蛋白质较少时，即有游离的rRNA存在时，这些调控蛋白质优先与存在时，这些调控蛋白质优先与r
86、RNA结合。当结合。当rRNA被饱和后，多余的调控蛋白则被饱和后，多余的调控蛋白则与与mRNA上的结合位点结合。这个结合位点上的结合位点结合。这个结合位点包含或靠近包含或靠近SD序列，因此核糖体就不能与之序列，因此核糖体就不能与之结合，从而降低了有关基因产物的合成。结合，从而降低了有关基因产物的合成。v例如：在例如：在L11操纵子中，起调节作用的为第二操纵子中，起调节作用的为第二个蛋白质个蛋白质L1,它能与多顺反子它能与多顺反子mRNA的第一个的第一个编码区（编码区（L11）的起始密码子邻近的）的起始密码子邻近的SD序列序列结合，从而阻止核糖体蛋白的起始翻译。结合，从而阻止核糖体蛋白的起始翻译
87、。二、翻译的延伸调控翻译的延伸调控v1.释放因子释放因子RF2合成的自体调控合成的自体调控RF2由由340个氨基酸组成，但氨基酸密码子并不处于同一阅读框个氨基酸组成，但氨基酸密码子并不处于同一阅读框中。其前中。其前25个氨基酸密码子处于个氨基酸密码子处于AUG所在的阅读框中，而其余所在的阅读框中，而其余的的315个氨基酸的密码子与前个氨基酸的密码子与前25个氨基酸隔了一个个氨基酸隔了一个U，这个，这个U与与第第26个氨基酸（个氨基酸（Asp）的密码子）的密码子GAC的前两个核苷酸构成了的前两个核苷酸构成了RF2所能识别的终止密码子所能识别的终止密码子UGA，而且是前一个编码区的同框，而且是前一
88、个编码区的同框终止密码子。终止密码子。当细胞内当细胞内RF2供应充足时，当核糖体供应充足时，当核糖体A位到达位到达第第25个密码子后面的个密码子后面的UGA时，时，RF2就促成了就促成了肽链的终止。当缺乏肽链的终止。当缺乏RF2时，则核糖体以某时，则核糖体以某种尚不知晓的机制向前滑动一个核苷酸，即种尚不知晓的机制向前滑动一个核苷酸，即发生移框作用，继续合成第发生移框作用，继续合成第26个氨基酸直到个氨基酸直到基因最后的密码子基因最后的密码子UAG。 2. 2. 稀有密码子的调控稀有密码子的调控多顺反子多顺反子mRNA在进行翻译时，当每个结构基在进行翻译时，当每个结构基因上游都有自身的因上游都有
89、自身的SD序列，通常核糖体完成一序列，通常核糖体完成一个编码区的翻译后即脱落和解离，然后在下一个编码区的翻译后即脱落和解离，然后在下一个编码区上游重新形成起始复合物。当各个编个编码区上游重新形成起始复合物。当各个编码区翻译频率和速度不同时，它们合成的蛋白码区翻译频率和速度不同时，它们合成的蛋白质质量也就不同了。质质量也就不同了。3. 3. 二级结构对翻译延伸的调控二级结构对翻译延伸的调控三、翻译终止的调控三、翻译终止的调控 v翻译终止是蛋白质合成的最后一步翻译终止是蛋白质合成的最后一步,它包括肽酰它包括肽酰t-RNA的水解以及新生肽链的释放。然而翻译终止并的水解以及新生肽链的释放。然而翻译终止
90、并不是一个简单的终止过程不是一个简单的终止过程,不仅有多种因素不仅有多种因素(如释放如释放因子、终止密码子的上下游序列、反式作用因子因子、终止密码子的上下游序列、反式作用因子)影响翻译终止的效率影响翻译终止的效率,而且其本身也可以作为调节而且其本身也可以作为调节基因表达的一个控制点。最近的科学研究表明终止基因表达的一个控制点。最近的科学研究表明终止对蛋白表达水平有很大的影响。总的来说，对蛋白表达水平有很大的影响。总的来说，有效的有效的翻译终止利于的蛋白表达。翻译终止利于的蛋白表达。1翻译终止序列框架翻译终止序列框架v对于大肠杆菌，翻译终止效率可因终止密码子及临对于大肠杆菌，翻译终止效率可因终止
91、密码子及临近的下游碱基的不同而显著不同，从近的下游碱基的不同而显著不同，从80%（UAAU）到）到7%（UGAC）。对于）。对于UAAN和和UAGN系列，终止密码子下游碱基对翻译的有效终系列，终止密码子下游碱基对翻译的有效终止的影响力大小次序为止的影响力大小次序为UGA、C。UAG极少被大极少被大肠杆菌利用，相比肠杆菌利用，相比UAAN和和UGAN，UAG表现了有表现了有效的终止，效的终止，但其后的碱基对有效终止的影响力为但其后的碱基对有效终止的影响力为GU，AC。 v对于哺乳动物，偏爱的终止密码子为对于哺乳动物，偏爱的终止密码子为UGA，其后的碱基可以对生物体内翻译终止有其后的碱基可以对生物
92、体内翻译终止有8倍的倍的影响（影响（A、GC、U）。对于）。对于UAAN系列，系列，生物体内终止效率可以有生物体内终止效率可以有70倍的差别，倍的差别，UGAN系列为系列为8倍。如果终止密码子附近序列倍。如果终止密码子附近序列没有最佳化，可能发生明显增加的翻译通读，没有最佳化，可能发生明显增加的翻译通读，因此减少了蛋白表达。因此减少了蛋白表达。2.2.严谨反应严谨反应当细菌处于不良的营养条件下生长时，由于缺乏当细菌处于不良的营养条件下生长时，由于缺乏足够的氨基酸，蛋白质的合成受到抑制，并由此足够的氨基酸，蛋白质的合成受到抑制，并由此影响到细胞的许多生理生化活性，代谢水平降低影响到细胞的许多生理
93、生化活性，代谢水平降低，生长速度变慢。细菌对于不良的营养条件所产，生长速度变慢。细菌对于不良的营养条件所产生的这一系列的反应称为生的这一系列的反应称为严谨反应严谨反应。严谨反应严谨反应不仅调控蛋白质的合成，而且调控基因不仅调控蛋白质的合成，而且调控基因转录、转录、DNA复制等许多细胞生理过程。复制等许多细胞生理过程。 v缺乏任何一种氨基酸或引起任何一种氨酰基缺乏任何一种氨基酸或引起任何一种氨酰基-tRNA合成酶失活的突变都能导致合成酶失活的突变都能导致严谨反应严谨反应。这说明这说明严谨反应严谨反应的触发器是位于核糖体的触发器是位于核糖体A位无位无负载的负载的tRNA。当这种无负载的。当这种无负
94、载的tRNA进入进入A位位后，无法形成新的肽键，而后，无法形成新的肽键，而GTP却在不断的却在不断的消耗，即发生消耗，即发生空转反应空转反应。v当细胞出现空转反应时，就发出一种报警信当细胞出现空转反应时，就发出一种报警信号，即鸟苷号，即鸟苷-5-二磷酸二磷酸-3-二磷酸（二磷酸（ppGpp）和鸟苷和鸟苷-5-三磷酸三磷酸-3-二磷酸（二磷酸（pppGpp）这）这两种异常的核苷酸。其在两种异常的核苷酸。其在TLC上迁移率与常上迁移率与常见的核苷酸不同，因此被称位见的核苷酸不同，因此被称位魔斑魔斑和和魔斑魔斑。如何产生？如何产生？v通过遗传方法分离到不表现通过遗传方法分离到不表现严谨反应严谨反应的
95、突变体，即的突变体，即所谓所谓松弛型突变体松弛型突变体。各种松弛型突变位点大多数分。各种松弛型突变位点大多数分布在布在relA基因中。基因中。relA基因编码的蛋白即严谨因子。基因编码的蛋白即严谨因子。v在正常情况下，严谨因子很少出现，大约在正常情况下，严谨因子很少出现，大约200个以个以上的核糖体中才有一个核糖体结合有一个严谨因子。上的核糖体中才有一个核糖体结合有一个严谨因子。v在氨基酸饥饿时，在氨基酸饥饿时，relA基因的表达增多，基因的表达增多，v松弛型突变除发生在松弛型突变除发生在relA基因外，还出现在基因外，还出现在核糖体核糖体50S亚基蛋白质亚基蛋白质L11的基因中及的基因中及t
96、RNA基因的基因的TC相应位置。这说明生成魔斑的反相应位置。这说明生成魔斑的反应不仅需要应不仅需要relA基因产物，且需要核糖体蛋基因产物，且需要核糖体蛋白白L11和和tRNA的的TC区。区。vrelA-松弛型细胞提取液不能合成松弛型细胞提取液不能合成ppGpp和和pppGpp，但加入，但加入严谨因子严谨因子就能合成。就能合成。v严谨反应严谨反应(strigentresponse)v(1)ppGpp四磷酸鸟苷四磷酸鸟苷(魔斑魔斑ImagicspotI)是是调调控控一一些些反反应应的的效效应应物物，有有多多种种功功能能，但但主主要要功功能能是是：抑抑制制rRNA基基因因的的启启动动子子；抑制多数或大多数基因转录的延伸。抑制多数或大多数基因转录的延伸。v(2)pppGpp五磷酸鸟苷五磷酸鸟苷(魔斑魔斑IImagicspotII) 蛋白质的正常合成 及饥饿时的严谨反应ppGpp对rnn转录的抑制( spoT 编码一种酶，提供ppGpp主要降解途径)vEND(二) mRNA稳定性对翻译的调控
