《基因的表达与调控上——原核基因表达课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基因的表达与调控上——原核基因表达课件（63页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、基因的表达与调控上原核基因表达课件自然选择倾向于保留高效率的生命过程。在每30分钟增殖一次的109细菌群体中，若一个细菌变成29.5分钟增殖，经过80天的连续生长后，这个群体中的99.9%都将具有29.5分钟增殖一倍的生长速度。原核生物细胞的基因和蛋白质种类较少，如大肠杆菌基因组约为4.20106bp共有4288个开放读码框。据估计，一个细胞中总共含有107个蛋白质分子。最小基因组？基本概念与原理（Basic Concepts and Principles）基因表达(gene expression)基因经过转录、翻译，产生具有特异生物学功能的蛋白质分子或RNA分子的过程。基因表达调控(gene
2、 regulation, or regulation of gene expression)基因表达是受内源及外源信号调控的。基因表达的时间性及空间性时间特异性按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间特异性(temporal specificity)。 多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性(stage specificity)。空间特异性在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的空间特异性(spatial specificity)。基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间
3、特异性又称细胞或组织特异性(cell or tissue specificity)。下图：人体发育过程中不同类型-珠蛋白的含量变化 基因表达的方式按对刺激的反应性，基因表达的方式分为：组成性表达(constitutive expression)某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因(housekeeping gene)。这类基因表达又称为组成性基因表达(constitutive gene expression)。诱导和阻遏表达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，这种基因称为可诱导基因(inducible genes)。如果基因对环境信号应答是被抑制
4、，这种基因是可阻遏基因(repressible genes)。基因表达调控大多数是对这些基因的转录和翻译速率的调节，从而导致其编码产物的水平发生改变，影响其功能。每个大肠杆菌细胞有约15000个核糖体，50种核糖体蛋白、糖酵解体系的酶、DNA聚合酶、RNA聚合酶等都是代谢过程中必需的，其合成速率不受环境变化或代谢状态的影响，这一类蛋白质被称为永久型（constitutive）合成的蛋白质。另一类则被称为适应型或调节型（adaptive or regulated），因为这类蛋白质的合成速率明显地受环境的影响而改变。如大肠杆菌细胞中一般只有15个-半乳糖苷酶，但若将细胞培养在只含乳糖的培养基中，每
5、细胞中这个酶的量可高达几万个分子。细菌中所利用的大多数基本调控机制一般执行如下规律：一个体系在需要时被打开，不需要时被关闭。这种“开-关”（on-off）活性是通过调节转录来建立的，也就是说mRNA的合成是可以被调节的。实际上，当我们说一个系统处于“off ”状态时，也可能有本底水平的基因表达，常常是每世代每个细胞只合成1或2个mRNA分子和极少量的蛋白质分子。为了方便，我们常常使用“off ”这一术语，但必须明白所谓“关”实际的意思是基因表达量特别低，很难甚至无法检测。本章主要内容1、原核基因表达调控总论2、乳糖操纵子与负控诱导系统3、色氨酸操纵子与负控阻遏系统4、其他操纵子5、固氮基因调控
6、（自学）6、转录水平上的其他调控方式（自学）7、转录后调控7.1 原核基因表达调控总论基因表达调控是现阶段分子生物学研究的中心课题。基因表达调控主要表现在以下二方面：转录水平上的调控（transcriptional regulation）转录后水平上的调控（post-transcriptional regulation）：mRNA加工成熟水平调控翻译水平调控不同的生物使用不同的信号来指挥基因调控。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。在真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平和发育阶段是基因表达调控的最主要手段，营养和环境因素的影响力大为下降。在转录水平上对基因表达的调控决
7、定于DNA的结构、RNA聚合酶的功能、蛋白因子及其他小分子配基的相互作用。转录与翻译的特点：细菌的转录与翻译过程几乎发生在同一时间间隔内，转录与翻译相耦联。真核生物中，转录产物只有从核内运转到核外，才能被核糖体翻译成蛋白质。1、原核基因调控分类 2、原核基因调控的主要特点原核生物的基因调控主要发生在转录水平上，根据调控机制的不同可分为负转录调控和正转录调控。在负转录调控系统中，调节基因的产物是阻遏蛋白(repressor)。根据其作用特征又可分为负控诱导系统和负控阻遏系统二大类。在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白(activator)。也可根据激活蛋白的作用性质分为正控诱导系统和正控
8、阻遏系统。原核生物通过特殊代谢物调节的基因活性主要分为可诱导和可阻遏两大类:可诱导调节。是指一些基因在特殊的代谢物或化合物的作用下，由原来关闭的状态转变为工作状态，即在某些物质的诱导下使基因活化。这类基因中最突出的例子是大肠杆菌的乳糖操纵子。可阻遏调节。这类基因平时都是开启的，处在产生蛋白质或酶的工作过程中，由于一些特殊代谢物或化合物的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。比如大肠杆菌中的色氨酸操纵子。负转录调控在没有调节蛋白质存在时基因是表达的，加入这种调节蛋白质后基因表达活性便被关闭，这样的调控负转录调控。正转录调控如果在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加入这种调节蛋白质后基因活性就被开启，
9、这样的调控正转录调控。诱导物：如果某种物质能够促使细菌产生酶来分解它，这种物质就是诱导物。辅阻遏物：如果某种物质能够阻止细菌产生合成这种物质的酶，这种物质就是辅阻遏物。在负转录调控系统中，调节基因的产物是阻遏蛋白（repressor），起着阻止结构基因转录的作用。根据其作用特征又可分为负控诱导和负控阻遏：在负控诱导系统中，阻遏蛋白与效应物（诱导物）结合时，结构基因转录；在负控阻遏系统中，阻遏蛋白与效应物（辅阻遏物）结合时，结构基因不转录。在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白（activator）。根据激活蛋白的作用性质分为正控诱导和正控阻遏：在正控诱导系统中，效应物分子（诱导物）的存在
10、使激活蛋白处于活性状态；在正控阻遏系统中，效应物分子（辅阻遏物）的存在使激活蛋白处于非活性状态。负控诱导系统正控诱导系统负控阻遏系统正控阻遏系统因子在结构上具有同源性，所以统称70家族，含有4个保守区，其中第2个和第4个保守区参与结合启动区DNA，第2个保守区的另一部分还参与双链DNA解开成单链的过程。54因子识别并与DNA上的-24和-12区相结合。70启动子只有在核心酶结合到DNA链上之后才能与启动子区相结合，而54则类似于真核生物的TATA区结合蛋白（TBP），可以在无核心酶时独立结合到启动子上。3、弱化子对基因活性的影响在这种调节方式中，起信号作用的是有特殊负载的氨酰-tRNA的浓度，
11、在色氨酸操纵子中就是色氨酰-tRNA的浓度。当操纵子被阻遏，RNA合成被终止时，起终止转录信号作用的那一段DNA序列被称为弱化子。属于这种调节方式的有：大肠杆菌中的色氨酸操纵子、苯丙氨酸操纵子、苏氨酸操纵子、异亮氨酸操纵子和缬氨酸操纵子以及沙门氏菌的组氨酸操纵子和亮氨酸操纵子、嘧啶合成操纵子等等。4、降解物对基因活性的调节有葡萄糖存在的情况下，即使在细菌培养基中加入乳糖、半乳糖、阿拉伯糖或麦芽糖等诱导物，与其相对应的操纵子也不会启动，不会产生出代谢这些糖的酶来，这种现象称为葡萄糖效应或称为降解物抑制作用。降解物抑制作用是通过提高转录强度来调节基因表达的，是一种积极的调节方式。5、细菌的应急反应
12、细菌有时会碰到紧急状况，比如氨基酸饥饿氨基酸的全面匮乏。细菌会产生一个应急反应停止包括生产各种RNA、糖、和蛋白质的几乎全部生物化学反应过程。实施这一应急反应的信号是鸟苷四磷酸(ppGpp)和鸟苷五磷酸(pppGpp)。产生这两种物质的诱导物是空载tRNA。当氨基酸饥饿时，细胞中便存在大量的不带氨基酸的tRNA，这种空载的tRNA会激活焦磷酸转移酶，使ppGpp大量合成。ppGpp的出现会关闭许多基因，以应付这种紧急状况。 ppGpp 影响RNA聚合酶与这些基因转录起始位点的结合，使基因被关闭。ppGpp与pppGpp的作用范围十分广泛，它们影响一大批操纵子而被称为超级调控因子。7.2 乳糖操
13、纵子与负控诱导系统1961年，Jacob和Monod提出了操纵子模型，这是与特殊代谢途径有关的基因转录的协同调控模型。他们因此获1965年诺贝尔生理学和医学奖。操纵子是基因表达和调控的单元，典型的操纵子包括:结构基因（除调节基因以外的所有基因），编码那些在某一特定的生物合成途径中起作用的、其表达被协同调控的酶。调控元件，如操纵序列，是调节结构基因转录的一段DNA序列。调节基因，其产物能够识别调控元件，例如阻抑物，可以结合并调控操纵基因序列。大肠杆菌乳糖操纵子（lactose operon）包括3个结构基因：Z、Y和A，以及启动子P、控制子O和阻遏子lacI等。转录的调控是在启动区和操纵区进行的
14、。3个结构基因各决定一种酶：Z编码-半乳糖苷酶：-半乳糖苷酶是一种-半乳糖苷键的专一性酶，除能将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖外，还能水解其他-半乳糖苷（如苯基半乳糖苷）。Y编码-半乳糖苷透过酶：-半乳糖苷透过酶的作用是使外界的-半乳糖苷透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。A编码-半乳糖苷乙酰基转移酶：-半乳糖苷乙酰基转移酶的作用是把乙酰辅酶A上的乙酰基转移到-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。酶的诱导lac体系受调控的证据一般情况下，lac+基因型大肠杆菌细胞内-半乳糖苷酶和透过酶的浓度很低，每个细胞只有12个酶分子。但是，在乳糖培养基上酶的浓度很快达到细胞总蛋白量的6%或7%，超过105个酶分子/
15、细胞。在无葡萄糖有乳糖的培养基中，lac+细菌中将同时合成-半乳糖苷酶和透过酶。用32P标记的mRNA与模板DNA进行定量分子杂交，表明培养基中加入乳糖12分钟后，编码-半乳糖苷酶和透过酶的lac mRNA量就迅速增加，去掉乳糖后，lac mRNA量立即下降。实验室常用两种乳糖类似物异丙基巯基半乳糖苷（IPTG）和巯甲基半乳糖苷（TMG），在酶活性分析中常用发色底物O-硝基半乳糖苷（ONPG）。因为它们都不是半乳糖苷酶的底物，所以又称为安慰性诱导物（gratuitous inducer）。用35S标记大肠杆菌细胞（培养基中没有半乳糖），将这些带有放射性的细菌转移到不含35S的培养基中，加入诱导
16、物后-半乳糖苷酶便开始合成。分离纯化-半乳糖苷酶，发现这种酶无35S标记，说明这种酶是加入诱导物后新合成的。操纵子模型及其影响因子Jacob和Monod认为诱导酶（他们当时称为适应酶）现象是个基因调控问题，而且可以用实验方法进行研究，他们通过大量实验及分析，建立了现在已经被人们广泛接受的乳糖操纵子的控制模型。Z、Y、A基因产物由同一条多顺反子mRNA分子所编码。该mRNA分子的启动区(P)位于阻遏基因(I)与操纵区(O)之间，不能单独起始半乳糖苷酶和透过酶基因的高效表达。操纵区是DNA上的一小段序列（仅为26bp），是阻遏物的结合位点。当阻遏物与操纵区相结合时，lac mRNA的转录起始受到抑
17、制。诱导物通过与阻遏物结合，改变其三维构象，使之不能与操纵区相结合，诱发lac mRNA的合成。影响因子1、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：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，后者的合成有需要诱导。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？真正的诱导物是异构乳糖而非乳糖，前者是在-半乳糖甘酶的催化下由乳糖形成的，因此，需要有-半乳糖甘酶的预先存在。解释：本底水平的组成型合成：非诱导状态下有少量的lac mRNA合成。2、大肠杆菌对乳糖的反应在以甘油为碳源的培养基中加乳糖以前，lac操纵子本底水平
18、表达加乳糖后，阻遏物失活，mRNA大量表达乳糖耗尽，阻遏物浓度逐渐大于异构乳糖，阻遏状态重新形成，mRNA水平下降。-半乳糖苷酶半衰期长，其活性下降滞后。3、阻遏物lac I基因产物及功能lac操纵子阻遏物mRNA是由弱启动子控制下永久型合成的，该阻遏蛋白有4个相同的亚基，每个亚基均含有347个氨基酸残基，并能与1分子IPTG结合,每个细胞中有510个阻遏物分子。lac I基因由弱启动子变为强启动子，细胞内将不可能产生足够的诱导物来克服阻遏状态，整个lac操纵子在这些突变体中将不可诱导。4、葡萄糖对lac操纵子的影响-半乳糖苷酶在乳糖代谢中的作用是把前者分解成葡萄糖及半乳糖。如果将葡萄糖和乳糖
19、同时加入培养基中，大肠杆菌在耗尽外源葡萄糖之前不会诱发lac操纵子。某大肠杆菌突变体，它不能将葡萄糖-6-磷酸转化为下一步代谢中间物，该细菌的lac基因能在葡萄糖存在时被诱导合成。所以，不是葡萄糖而是它的某些降解产物抑制lacmRNA的合成，科学上把葡萄糖的这种效应称之为代谢物阻遏效应（catabolite repression）。5、cAMP与代谢物激活蛋白cAMP是在腺苷酸环化酶的作用下由ATP转变而来的，在真核生物的激素调节过程中也起着十分重要的作用。将细菌放在含葡萄糖的培养基中培养，cAMP的浓度就低；如果培养基中只有甘油或乳糖等不进行糖酵解途径的碳源，cAMP的浓度就会很高。大肠杆菌
20、中的代谢物激活蛋白，由Crp基因编码，能与cAMP形成复合物。CRP和cAMP都是合成lac mRNA所必需的，cAMP-CRP是一个不同于阻遏物的正调控因子，而lac操纵子的功能是在这两个相互独立的调控体系作用下实现的。gal，lac和ara操纵子上游启动子区与CRP-cAMP结合位点的相对位置分析半乳糖、麦芽糖、阿拉伯糖、山梨醇等在降解过程中均转化成葡萄糖或糖酵解途径中的其他中间产物，这些糖代谢中有关的酶都是由可诱导操纵子控制的，被称为降解物敏感型操纵子(catabolite sensitive operon），由cAMP-CRP调控。大肠杆菌lac操纵子启动区CRP-cAMP及-35区，
21、-10区序列分析cAMP-CRP复合物与启动子区的结合是lac mRNA合成起始所必需的，因为这个复合物结合于启动子上游，能使DNA双螺旋发生弯曲，有利于形成稳定的开放型启动子-RNA聚合酶结构。阻遏物则是一个抗解链蛋白，阻止形成开放结构，从而抑制RNA聚合酶的功能。+ + + + + + + + 转录转录无葡萄糖，无葡萄糖，cAMP浓度高时浓度高时促进转录促进转录有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP浓度低时浓度低时不促进转录不促进转录ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP的正调控的正调控The Lac Operon:When Glucose Is Present But N
22、ot LactoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveCome on, let me throughNo wayJose!CAPCAPThe Lac Operon:When Lactose Is Present But Not GlucoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressor mRNAHey man, Im cons
23、titutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorXThis lactose has bent me out of shapeCAPcAMPCAPcAMPBind to mePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yipee!The Lac Operon:When Neither Lactose Nor Glucose Is PresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBind to mePolymeraseRNAPol.RepressorRepressor
24、mRNAHey man, Im constitutiveRepressorSTOPRight therePolymeraseAlright, Im off to the races . . .Come on, let me through!lac操纵子的调控区域P、O区P区（即启动子区）一般是从I基因结束到mRNA转录起始位点下游5-10bp，而O区（即阻遏物结合区）位于-7+28位，该区的碱基序列有对称性，其对称轴在+11位碱基对。lac操纵子中的其他问题1、lac基因产物数量上的比较在完全被诱导的细胞中，-半乳糖苷酶、透过酶及乙酰基转移酶的拷贝数比例为1：0.5：0.2，这个比例在一定程度
25、上反映了以-半乳糖苷作为唯一碳源时细胞的需要。不同的酶在数量上的差异是由于在翻译水平上受到调节所致。lac mRNA可能与翻译过程中的核糖体相脱离，从而终止蛋白质链的翻译。因此，存在着从mRNA的5末端到3末端的蛋白质合成梯度。在lac mRNA分子内部，A基因比Z基因更易受内切酶作用发生降解，因此，在任何时候Z基因的完整拷贝数要比A基因多。2、操纵子的融合与基因工程pur操纵子在染色体上位于lac操纵子沿转录方向的下游，中间只隔了一个控制细胞对T6噬菌体敏感性的tsx基因。pur操纵子被“嫁接”到lac启动子上，形成融合基因。因为lac启动子是一个很强的启动子，通过它可以使较弱启动子的转录增
26、强。7. 3 色氨酸操纵子与负控阻遏系统trp体系参与生物合成，它不受葡萄糖或cAMP-CRP的调控。色氨酸的合成主要分5步完成，有7个基因参与整个合成过程。trpE和trpG编码邻氨基苯甲酸合酶，trpD编码邻氨基苯甲酸磷酸核糖转移酶，trpF编码异构酶，trpC编码吲哚甘油磷酸合酶，trpA和trpB则分别编码色氨酸合酶的和亚基。在许多细菌中，trpE和trpG，trpC和trpB分别融合成一个基因，产生具有双重功能的蛋白质。trpE基因是第一个被翻译的基因，与trpE紧邻的是启动子区和操纵区。前导区和弱化子区分别定名为trpL和trpa。trp操纵子中产生阻遏物的基因是trpR，该基因距
27、trp基因簇很远。后者位于大肠杆菌染色体图上25分钟处，而前者则位于90分钟处。在位于65分钟处还有一个trpS（色氨酸tRNA合成酶），它与携带有色氨酸的tRNATrp共同参与trp操纵子的调控作用。trp操纵子的阻遏系统trpR基因突变常引起trp mRNA的永久型合成，该基因产物因此被称为辅阻遏蛋白（aporepressor）。除非培养基中有色氨酸，否则这个辅阻遏蛋白不会与操纵区结合。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trp mRNA转录。效应物分子色氨酸是trp操纵子所编码的生物合成途径的末端终产物。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
28、使之与操纵区DNA紧密结合；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。弱化子与前导肽1、弱化子在trp mRNA 5端有一个长162bp的mRNA片段被称为前导区，其中123150位碱基序列如果缺失，trp基因表达可提高6-10倍。mRNA合成起始以后，除非培养基中完全没有色氨酸，转录总是在这个区域终止，产生一个仅有140个核苷酸的RNA分子，终止trp基因转录。这个区域被称为弱化子，该区mRNA可通过自我配对形成茎-环结构。2、前导肽分析前导序列发现，它包括起始密码子AUG和终止密码子UGA，能产生一个含有14个氨基酸的多肽，这个假设的多肽被称为前导
29、肽。在前导序列的第10和第11位上有相邻的两个色氨酸密码子。组氨酸操纵子含有7个相邻的组氨酸密码子，苯丙氨酸操纵子也有7个苯丙氨酸密码子，这些密码子参与了操纵子中的转录弱化机制。3、mRNA前导区的序列分析trp前导区的碱基序列已经全部测定，引人注目的是其中4个分别以1、2、3和4表示的片段能以两种不同的方式进行碱基配对，有时以1-2和3-4配对，有时只以2-3方式互补配对。RNaseT1降解实验（此酶不能水解配对的RNA）表明，纯化的trp前导序列中确有1-2和3-4的配对方式，由此定位的3-4配对区正好位于终止密码子的识别区，当这个区域发生破坏自我配对的碱基突变时有利于转录的继续进行。4、
30、转录弱化作用培养基中色氨酸浓度低，负载有色氨酸的tRNATrp就少，翻译通过两个相邻色氨酸密码子的速度就慢，当4区被转录完成时，核糖体才进行到1区（或停留在两个相邻的trp密码子处），前导区2-3配对，不形成3-4配对的终止结构，转录继续进行。培养基中色氨酸浓度高，核糖体顺利通过两个相邻的色氨酸密码子，在4区被转录之前就到达2区，3-4区自由配对形成茎-环状终止子结构，转录停止。所以，弱化子对RNA聚合酶的影响依赖于前导肽翻译中核糖体所处的位置。一般认为，阻遏物从有活性向无活性的转变速度较慢，需要有一个能更快地做出反应的系统，以保持培养基中适当的色氨酸水平。弱化子能较快地通过抗终止的方法来增加
31、trp基因表达，迅速提高内源色氨酸浓度。那么，为什么还要有阻遏体系呢？阻遏物的作用是在有大量外源色氨酸存在时，阻止非必需的先导mRNA的合成，它使这个合成系统更加经济。细菌通过弱化作用弥补阻遏作用的不足，因为阻遏作用只细菌通过弱化作用弥补阻遏作用的不足，因为阻遏作用只能使能使转录不起始转录不起始，对于已经起始的转录，只能通过弱化作，对于已经起始的转录，只能通过弱化作用使之中途停下来。阻遏作用的信号是用使之中途停下来。阻遏作用的信号是细胞内色氨酸的多细胞内色氨酸的多少少；弱化作用的信号则是；弱化作用的信号则是细胞内载有色氨酸的细胞内载有色氨酸的tRNA的多的多少少。它通过前导肽的翻译来控制转录的
32、进行，在细菌细胞。它通过前导肽的翻译来控制转录的进行，在细菌细胞内这两种作用相辅相成，体现着生物体内周密的调控作用。内这两种作用相辅相成，体现着生物体内周密的调控作用。7. 4 其他操纵子1、半乳糖操纵子大肠杆菌半乳糖操纵子（galactose operon）在大肠杆菌遗传图上位于17分钟处，包括3个结构基因：异构酶（UDP-galactose-4-epimerase，galE），半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷转移酶（galactose transferase，galT），半乳糖激酶（galactose kinase，galK），使半乳糖变成葡萄糖-1-磷酸。半乳糖操纵子的调节基因是galR，位于遗传
33、图上55分钟处。与lac操纵子所不同的是，galR与galE、T、K及操纵区O等的距离都很远，而galR产物对galO的作用与lacI-lacO的作用相同。在galR-和galOc突变体中，E、T、K基因得到永久性表达，gal操纵子的诱导物主要是半乳糖。gal操纵子、lac操纵子和ara操纵子的结构及其代谢途径gal操纵子有两个特点：它有两个启动子，其mRNA可从两个不同的起始点开始转录；它有两个O区，一个在P区上游-67-73，另一个在结构基因galE内部。1、cAMP-CRP对gal启动子的作用有些细胞株能在不含葡萄糖的培养基中高水平合成半乳糖代谢酶类（gal结构基因高效表达），在另一类细
34、胞株中，没有葡萄糖，gal基因不表达。在gal操纵子P-O区有两个相距仅为5bp的启动子，gal操纵子可以从两个启动子分别起始基因转录，每个启动子拥有各自的RNA聚合酶结合位，S1和S2。从S1起始的转录只有在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。当腺苷环化酶突变（cya-）或cAMP受体蛋白突变（crp-）时，gal操纵子不能从S1起始转录。当有cAMP-CRP时，转录从S1开始；当无cAMP-CRP时，转录从S2开始。2、双启动子的生理功能为什么gal操纵子需要两个转录起始位点呢？因为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
35、尿苷二磷酸半乳糖（UDPgal）是大肠杆菌细胞壁合成的前体，细胞必须随时合成差向异构酶，以保证尿苷二磷酸的供应。在没有外源半乳糖的情况下，细胞通过半乳糖差向异构酶（galactose epimerase，galE基因产物）的作用由UDP-葡萄糖合成UDPgal。如果只有S1一个启动子，由于这个启动子的活性依赖于cAMP-CRP，当培养基中有葡萄糖存在时就不能合成异构酶。如果S2是唯一的启动子，那么，即使有葡萄糖存在，半乳糖也将使操纵子处于充分诱导状态，能量被浪费。2、阿拉伯糖操纵子araB、araA和araD基因参与阿拉伯糖的降解，它们是一个基因簇，简写为araBAD。araB基因编码核酮糖激
36、酶，araA编码L-阿拉伯糖异构酶，araD编码L-核酮糖-5-磷酸-4-差向异构酶。araE和araF负责将阿拉伯糖运入细胞内，它们位于远离这个基因簇的地方，分别编码一个膜蛋白和一个位于细胞壁与细胞膜之间的阿拉伯糖结合蛋白。araBAD具有复合启动子区域，两个操纵区（O1，O2）和一个调节基因araC。在lac和gal操纵子中，阻遏蛋白只能作为负调节因子，而cAMP-CRP蛋白只能是正调节因子。AraC蛋白同时显示正、负调节因子的功能。araBAD和araC基因的转录是分别在两条链上以相反的方向进行的，araBAD基因簇从启动子PBAD开始向右进行转录，而araC基因则是从Pc向左转录。ar
37、a操纵子也是可诱导的，阿拉伯糖本身就是诱导物。在野生型操纵子中，只有阿拉伯糖存在时才转录出araBAD mRNA，而有葡萄糖存在时则不转录。腺苷酸环化酶缺陷型和crp-突变株也不形成araBAD mRNA，说明从PBAD起始的转录过程也需要cAMP-CRP。AraC蛋白具有PBAD活性正、负调节因子的双重功能。Pr是起阻遏作用的形式，可与类操纵区位点相结合，而Pi是起诱导作用的形式，它通过与PBAD启动子结合进行调节。没有阿拉伯糖时，Pr形式占优势；一旦有阿拉伯糖存在，它就能够与AraC蛋白结合，使平衡趋向于Pi形式。a.没有AraC蛋白时，由Pc启动子起始araC基因转录；b.葡萄糖水平较高
38、时，AraC蛋白与操纵区O2以及araI上半区相结合，形成DNA回转结构，araBAD基因不表达；c.有阿拉伯糖但无葡萄糖存在时，AraC与阿拉伯糖相结合，变构成为激活蛋白，与araO1和araI区相结合，在CRP-cAMP的共同作用下起始结构基因表达。各种营养状况下ara操纵子的表达调控a.培养基含有葡萄糖，cAMP-CRP没有与操纵区位点相结合，AraC蛋白处于Pr形式并与操纵区A位点结合，RNA聚合酶不能与Pc结合，araC基因受到抑制，整个系统几乎处于静止状态。b.没有葡萄糖糖，也没有阿拉伯糖。因为没有诱导物，尽管有cAMP-CRP与操纵区位点相结合，AraC蛋白仍以Pr形式为主，无法
39、与操纵区B位点相结合，无araBAD mRNA转录。c.无葡萄糖，有阿拉伯糖。大量araC基因产物以Pi形式存在，并分别与操纵区B、A位点相结合，在cAMP-CRP的共同作用下，araC和araBAD基因大量表达，操纵子充分激活。4、阻遏蛋白LexA的降解与细菌中的SOS应答当细菌DNA遭到破坏时，细胞内会启动一个被称为SOS的诱导型DNA修复系统。参与SOS DNA修复系统的基因都受LexA阻遏蛋白的抑制，SOS体系的诱导表达过程中LexA阻遏蛋白被移开。一般情况下，约有1000个RecA蛋白单体分散在每个细胞中。当DNA严重受损时，单链DNA缺口数量增加，RecA与这些缺口处单链DNA相结
40、合，被激活成为蛋白酶，将LexA蛋白切割成没有阻遏和操纵区DNA结合活性的两个片段，导致SOS体系（包括recA基因）高效表达，DNA得到修复。5、二组分调控系统和信号转导最简单的细胞信号系统称为二组分系统（two-component systems），由二种不同的蛋白质组成：即位于细胞质膜上的传感蛋白（sensor protein）及位于细胞质中的应答调节蛋白（response regulator protein）。传感激酶常在与膜外环境的信号反应过程中被磷酸化，再将其磷酰基团转移到应答调节蛋白上，磷酸化的应答调节蛋白即成为阻遏或诱导蛋白，通过对操纵子的阻遏或激活作用调控下游基因表达。6、多
41、启动子调控的操纵子（1）rRNA操纵子大肠杆菌rRNA操纵子（rrnE）上有两个启动子P1和P2。在对数生长期，P1起始的转录产物比P2起始的产物多35倍。当细菌处于紧急状态，细胞中ppGpp浓度增加，P1的作用被抑制。因为rRNA是细胞中蛋白质合成机器核糖体的重要组成部分，不能完全停止供应，由P2起始rrnE基因转录。（2）核糖体蛋白SI操纵子核糖体蛋白SI操纵子（rpsA）也受应急反应调节。rpsA有4个启动子，P1、P2是强启动子，平时主要依靠它们来启动基因的表达，合成SI蛋白。P3、P4是弱启动子，只有在紧急情况下，P1、P2启动子受ppGpp的抑制，由P3、P4起始合成的SI蛋白维持
42、了生命的最低需要。（3）DnaQ蛋白操纵子DnaQ蛋白是DNA聚合酶全酶的亚基。在细胞中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。也就是说，在细胞生命活动比较缓慢时，DnaQ蛋白的合成靠弱启动子P2来维持。当细胞增殖速度加快，RNA聚合酶活性升高时，P1就被激活。7.6 转录水平上的其他调控方式转录过程涉及转录机器附着与DNA，识别启动子序列，起始RNA的合成，延伸和终止。转录的任何一步都受到调控。转录水平上以下其它调控方式：因子的调节作用组蛋白类似蛋白的调节作用转录调控因子的作用抗终止因子的调节作用本部分自学7.7 转录后调控1
43、、mRNA自身结构元件对翻译起始的调节遗传信息的翻译起始于mRNA上的核糖体结合位点（RBS）-起始密子AUG上游的一段非翻译区。在RBS中有SD序列，与核糖体16S rRNA的3端互补配对，促使核糖体与mRNA相结合。RBS的结合强度取决于SD序列的结构及与AUG之间的距离。SD与AUG之间相距一般以410核苷酸为佳，9核苷酸最佳。SD序列的微小变化，往往会导致表达效率成百上千倍的差异，这是由于核苷酸的变化改变了形成mRNA 5端二级结构的自由能，影响了30S亚基与mRNA的结合，从而造成了蛋白质合成效率上的差异。2、mRNA稳定性对转录水平的影响所有细胞都有一系列核酸酶，用来清除无用的mR
44、NA。一个典型的mRNA半衰期为2-3min。mRNA分子被降解的可能性取决于其二级结构。3、调节蛋白的调控作用细菌中有些mRNA结合蛋白可激活靶基因的翻译。相反，mRNA特异性抑制蛋白则通过与核糖体竞争性结合mRNA分子来抑制翻译的起始。大肠杆菌中的核糖体蛋白就存在翻译抑制现象。4、反义RNA的调节作用RNA调节是原核基因表达转录后调节的另一种重要机制。细菌相应环境压力的改变，会产生一些非编码小RNA分子，能与mRNA中的特定序列配对并改变其构象，导致翻译过程的开启或关闭等作用。5、稀有密码子对翻译的影响大肠杆菌细胞内仅有50个拷贝的dnaG蛋白，却有2800个拷贝的rpoD蛋白，更有高达4
45、0000个拷贝的rpsU蛋白。细胞通过翻译调控，解决了这个问题。dnaG序列中存在不少稀有密码子。很明显，稀有密码子AUA在高效表达的结构蛋白及因子中均极少使用，而在表达要求较低的dnaG蛋白中使用频率就相当高。许多调控蛋白如LacI、AraC、TrpR等在细胞内含量很低，这些基因中密码子的使用频率与dnaG相似。科学家认为，由于细胞内对应于稀有密码子的tRNA较少，高频率使用这些密码子的基因翻译过程容易受阻，影响了蛋白质合成的总量。6、重叠基因对翻译的影响正常情况下，trp操纵子中5个基因产物是等量的，但trpE突变后，其邻近的trpD产量比下游trpBA产量要低得多。研究trpE和trpD以及trpB和trpA两对基因中核苷酸序列与翻译的关系，发现trpE基因的终止密码子和trpD基因的起始密码子共用核苷酸。trpB和trpA基因也存在着翻译耦联现象。实验证明，耦联翻译可能是保证两个基因产物在数量上相等的重要手段。7、翻译的阻遏8、魔斑核苷酸水平对翻译的影响
