第六章 基因的表达与调控(上)——原核基因表达调控模式

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。
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， trp mRNA开始转录。
三. 弱化子与前导肽
1. 弱化子 位于trp mRNA 5ˊ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。
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， araC蛋白起正调节作用。
三. 多启动子调控的操纵子
1. rRNA操纵子（P1，P2）
2. 核糖体蛋白SI操纵子（P1，P2 ，P3，P4） 3. DnaQ蛋白操纵子（P1，P2）
（3） nif操纵子的调节基因位于nif操纵子外， 分别称为ntrB、ntrC和ntrA 。 nif A基因产物 只有在ntrC和ntrA基因产物的共同作用下才能 正常工作，激活nif操纵子。 ntrC基因的活性 直接受NH3的影响， NH3浓度较高时， ntrC 基因产物没有转录活性。
（4）ntr系统像固氮酶系统的粗调开关， nif AL系统像微调开关，两者共同作用控制nif 基因的表达。
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trp mRNA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trp mRNA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trp mRNA的转录。
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
第六节 转录后调控
1. 翻译起始的调控
（1）RBS中的SD序列与核糖体的结合
（2）mRNA的二级结构
2. 稀有密码子对翻译的影响
细胞内对应于稀有密码子的tRNA较 少，高频率使用稀有密码子可调节蛋白质 的合成。
3. 重叠基因对翻译的影响 重叠基因通过翻译偶联来影响基因的表达
4. Poly（A）对翻译的影响
（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）
第一节 原核基因表达调控总论
1. 组成型蛋白质（constitutive protein）
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（adaptive or regulated protein ） 这类蛋白质的合成速率明显地受环境的影 响而改变。
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lac I基因产物及功能 （1） lac I转录产生阻遏物单体，结合形 成同源四体。 （2） lac I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
mRNA3端Poly（A）的长短对翻译效率的 影响很大。 Poly（A）较长时，蛋白质合成旺 盛，随着Poly（A）变短，蛋白质合成能力逐 渐变弱。
第五节 固氮基因调控
1. 与固氮有关的基因及其调控 （1）nif AL基因控制了整个固氮酶系统的 表达与活性。若突变nif A基因，固氮酶和其他 所有已知的nif基因产物都会消失。
（2） nif A和nif L基因产物分别是nif操纵 子的正、负调控因子。当细胞没有nif L蛋白质 时， nif A基因产物足以激活其他nif 基因的表 达。
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
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。
3. 基因表达（gene expression）
以RNA为模板翻译成蛋白质的过程。
4. 基因表达调控（gene regulation or control ）
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（transcriptional regulation ）
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
（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（structural gene, 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
（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。
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。
（2）转录后水平上的调控（post-transcriptional regulation ） 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。
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