微生物学_09a微生物与基因工程

操纵区。它与操纵区结合，转录受阻。
负控诱导系统－－诱导物不存在时，阻遏蛋白与操
纵区相结合，结构基因不转录；诱导物存在时，阻
遏蛋白与诱导物相结合，阻遏蛋白与操纵区分离， 结构基因转录。
负控阻遏系统－－当阻遏蛋白与效应物结合时，结
构基因不转录。
正转录调控系统 在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋 白(activator)，激活蛋白结合后， RNA聚合酶与 DNA的启动子结合，转录才会进行。 在正控诱导系统中，诱导物的存在使激活蛋白处 于活性状态，转录进行。 在正控阻遏系统中，效应物分子的存在使激活蛋
操纵子的转录调控实例
㈠、乳糖操纵子-----负控诱导系统; ㈡、色氨酸操纵子----负控阻遏系统
㈠、乳糖操纵子
大肠杆菌能利用乳糖作为碳源，而利用乳糖作为碳
源的酶只有当乳糖成为惟一的碳源时才会被合成。
大肠杆菌乳糖操纵子(lactose operon)包括3个结构
基因:Z、Y和A。这三个结构基因被同一个转录单元 lacZYA所编码，它有一个启动子Plac。
R
LacY
LacA
mRNA
基
阻遏蛋白 （有活性）
因
关
闭
B、乳糖酶的诱导
调节 基因 R
启 动 操纵 子 基因 P O
乳糖结构基因 LacZ LacY LacA
mRNA 异乳糖 阻遏蛋白 （无活性） mRNAZ
mRNAY
mRNAA
基 因 表 达
阻遏蛋白 （有活性）
分解代谢物阻遏调控（葡萄糖效应）
cAMP即环式AMP，其在生物 这是因为ATP是cAMP的
多肽链组成的二聚体。
DNA结合蛋白的模体（motif）
（1）螺旋－转角－螺旋（helix-turn-helix，HTH） HTH的一端是由氨基酸形成的α－螺旋，又称为识别螺旋； “转角”由3个氨基酸组成；第二个螺旋以疏水相互作用稳定
第一个螺旋。
结合蛋白与DNA作用力：氢键、范德华力等非共价作用。 实例：大肠杆菌的Lac、Trp阻遏蛋白。
色氨酸阻抑物
色氨酸操纵子中产生阻遏蛋白的基因是trpR，阻遏蛋白是含
有两个亚基的二聚体, 可与色氨酸操纵子的操纵区特异性相互
作用。
操纵区的部分对称序列与色氨酸启动子在-21和+3碱基之间重
叠。中心结合区是18个碱基的回文结构。
只有当色氨酸结合到阻遏蛋白上时，阻遏蛋白才处于正确的
构象，与色氨酸操纵区相互作用 ，将转录的起始减少了大
前导RNA结构
色氨酸操纵子RNA的前导序列含有4个序列互补区，能
形成不同的碱基配对的RNA结构。它们被称为序列1、2、 3和4。
弱化子发夹结构是序列3和4配对的产物 (3:4结构)。
序列1和2也是互补的，能形成另一个发夹结构1:2。然而
序列2还和序列3互补。
如果序列2和3形成2:3发夹结构，3:4弱化子发夹结构就
构,由操纵区与一个或几个结构基因联合起来,形成一个结 构上、功能上协同作用的整体,受统一调节基因和启动区 的调控。 调节基因：可产生阻遏物或激活物蛋白调节操纵区，从
而控制结构基因的功能。
一、DNA结合蛋白
（1）非专一性结合蛋白:组蛋白与DNA结合，结果有时影响基
因表达。
（2）专一性结合蛋白: 有很多蛋白质可与DNA发生序列特异性 相互作用，这些蛋白质分子的氨基酸侧链通过与DNA的碱 基磷酸或戊糖分子发生作用； 结合部位往往在DNA大沟中，每条多肽链与一条DNA链结 合。 与DNA发生特异性相互作用的蛋白质一般是有两条相同的
CAP 基因
CAP结 合部位
结构基因
P O
R
T
LacZ
LacY
LacA
T 基 因 表 达
mRNA
RNA 聚合酶
mRNAZ
mRNAY
mRNAA
CAP
cAMP - CAP
葡萄糖降解物与cAMP的关系 ATP 腺苷酸 环化酶 cAMP
抑制
葡萄糖 分解代 谢产物
激活
降低cAMP浓度 cAMP 使CAP呈失活状态
中所必需的，因此细胞对它的含量很敏感，它决定
了在mRNA中终止子(3:4)发夹结构是否形成。
在色氨酸操纵子转录进行的过程中，RNA聚合酶在序列2的
末端停滞直到核糖体开始翻译前导肽（即当前导肽开始翻译
时，RNA聚合酶才又继续沿DNA模板链前进合成RNA）。
在色氨酸含量很高的情况下，核糖体迅速在两个色氨酸密码
乳糖操纵子的这三个结构蛋白是作为一个多顺反子
的mRNA一起表达的。
lacZYA转录单元含有一个操纵区Olac，它位于
Plac启动子5’端的-5至+21之间。当阻遏蛋白结合
到操纵区时，便成为转录的强抑制物。
阻遏蛋白被一个独立的调节基因lac I所编码，lac I
也是乳糖操纵子的一部分; lac I位于Plac的上游。
此外，体系还存在分解代谢物阻遏调控：细菌生长系统中若缺
少葡萄糖，使cAMP含量增加，才有足够量的cAMP与分解物
结合蛋白（CRP）结合形成CRP-cAMP复合物结合于Plac上 游。使DNA双螺旋发生构象变化，转录才可以有效地进行。
㈡、色氨酸操纵子
色氨酸操纵子包括色氨酸合成途经中相关的
5个结构基因，编码一个转录单元，即从色 氨酸启动子Ptrp、操纵基因位点Otrp和向下 游转录出7kb的转录物。
不能形成，转录就不会终止。在正常情况下，1:2和3:4
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发夹结构的形成在能量上是有利的。
弱化作用
大肠杆菌中，翻译在mRNA边转录时边进行。色氨
酸前导肽编码序列的3‘端与互补序列1重叠，两个
色氨酸密码子都在序列1内，终止密码子在序列1和
2之间。
由于色氨酸 (色氨酸操纵子的最终产物)是翻译过程
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(negative transcription regulation)和正转录调控(Positive transcription regulation)。
负转录调控系统
在负转录调控系统中，调节基因的产物是阻遏蛋白
(repressor)－－阻止结构基因转录。其作用部位是
cAMP产生。
分解代谢激活蛋白
分解代谢激活蛋白(CAP)是以以二聚体形式存在的。 葡萄糖存在时会降低细胞内cAMP的水平， CRP自身不能
独立与DNA结合；
当葡萄糖缺乏时，大肠杆菌细胞内cAMP水平上升，CRP
结合到cAMP上。CRP-cAMP复合物可结合到紧邻RNA聚 合酶结合位点上游的乳糖操纵子的启动子Plac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，使转录效率提高50倍。
弱化子
如果在操纵基因和trpE基因编码序列之间的一段序列
缺失，会导致基本转录水平和活化 (解阻抑)--转录水
平的上升。该段序列称为弱化子，它位于trpE起始密
码子前面162bp的转录前导序列的123～150位。
弱化子是一个不依赖ρ因子的终止子区域，在一小段
富含GC的回文结构之后是8个连续的U残基。如果这 段序列能在RNA转录物中形成发夹结构，就可以作为 一个高效的转录终止子，因而只有140bp的转录物被 合成。
子处插入色氨酸，这样翻译可直达前肽导末端。核糖体封闭 了序列2，当RNA聚合酶把3区和4区转录出来时，3:4发夹
得以形成，当RNA聚合酶到达终止序列时，由于3:4发夹使
转录可能被终止。这一过程被称为弱化作用。
图9－20 弱化作用模型
如果色氨酸缺乏时，翻译过程中将缺少其氨酰
－tRNA，核糖体将在两个色氨酸密码子上滞留， 封闭了序列1。这使得序列2能自由地与序列3 形成发夹结构（即抗终止子）。终止子 (3:4)发 夹结构不能形成，转录继续到trpE及其下游。
点， RNA聚合酶不能与启动子结合。乳糖阻抑物
阻碍了几乎全部的lacZYA的转录而使之保持很低
的转录水平。
乳糖操纵子诱导表达的机理
将乳糖加入细胞中后，细胞本身所含的低量的透性
酶使它能吸收乳糖，β-半乳糖苷酶则催化一些乳糖
转化为异乳糖。
异乳糖可以作为诱导物结合到阻遏蛋白上。从而引
起阻遏蛋白四聚体构象的变化，从而降低其对乳糖
2、转录后mRNA转译出多少蛋白（酶）的过程。
基因表达调控
基因表达调控在两个水平上体现： (1) 转录水平上的调控(transcriptional regulation); (2) 转录后水平上的调控(post-transcriptional regulation);
9.2 转录水平调控
操纵子：原核生物细胞中,功能相关的基因组成操纵子结
操纵序列的亲和力，阻遏蛋白从操纵序列上脱离下
来，聚合酶 迅速开始lacZYA基因的转录。

因此，加入乳糖或合成诱导物如异丙基-β-D-硫 代半乳糖苷(IPTG)能非常迅速地刺激乳糖操纵 子结构基因的转录。
A、乳糖操纵子的结构
调节 基因 启动子 操纵区 P O LacZ
乳糖结构基因
乳 糖 操 纵 子 的 负 调 控
约70倍。
辅阻遏物（合成产物） 当合成产物积累时，阻遏蛋白被 合成产物激活而与操纵基因结合 阻遏蛋白
当合成产物减少时，合成产物 脱离阻遏蛋白而使阻遏蛋白失 活。转录酶使结构基因转录， 蛋白质酶合成使合成代谢开始 色氨酸操纵子： 色氨酸积累时色氨酸合成减弱 色氨酸缺乏时色氨酸合成加强 色氨酸＝合成产物＝辅阻遏物
白处于非活性状态，转录不进行。
负调控 Lac O
正调控 Ara O
诱
导 阻遏物 阻遏 诱导物 诱导
失活的阻遏物 失活的活性蛋白 阻遏
活化的激活蛋白 诱导物 诱导
Trp O
阻
遏 失活的活性蛋白 辅-阻遏物 诱导 阻遏 活化的激活蛋白 诱导 辅-阻遏物 阻遏 失活的活性蛋白
图 16-1 原核生物结构基因的 4 种表达调控类型 (仿 B.Lewin:《GENES》Ⅵ,1997, Fig .12.21)
第九章 微生物基因表达调控
9.1 概 述 9.2 转录水平调控
9.3 转录后调控
9.1 概 述
微生物新陈代谢过程中，酶是主要的基因
产物；
微生物在代谢过程中，已经形成了两种主
要的代谢调节方式，即酶活性的调节和酶
量的调节。
酶活性的调节：具体指一定数量的酶通过其分子构 象或分子结构的改变来调节其催化反应的速率，主 要是生化水平的调节（第五章）。 酶量的调节包含： 1、基因（酶的基因）被转录成多少mRNA的转录 水平的调节。
因此终产物色氨酸含量的高低决定了转录是提
早终止 (弱化)，还是继续转录完整个操纵子。
CAP：降解物基因活化蛋白（catabolic gene activation protein）
5'-AMP
磷酸二 酯酶
lac 操纵子小结
通常情况（葡萄糖供应正常）阻遏蛋白与操纵序列结合，基因
不转录。
细胞外的乳糖通过透性酶吸收到细胞内；细胞内的β-半乳糖苷
酶将乳糖转变为异乳糖。异乳糖结合到阻遏蛋白上使之从操纵 序列上脱离，聚合酶迅速开始lacZYA基因的转录。这就是负 控诱导。
表达调控过程中起着重要作用。 直接代谢前体，担任这种 转化的酶是腺苷酸环化酶 葡萄糖的降解代谢会抑制一些 (adenylcyclase)，此酶受 葡萄糖代谢降解物的直接 操纵子的转录。 抑制,从而造成cAMP不能 cAMP在细胞中的增加对这些 产生。
操纵子的转录是有利的。
葡萄糖降解物能抑制细胞内
（2）锌指（zinc finger）多见于真核 特点: Zn2+连结四个氨基酸（2个组氨酸，2个半胱氨酸）
形成α－helix（螺旋）形式的“指”，在大沟中与 DNA相互作
用。 一般多个锌指串联排列， 但不一定每个都接触DNA，其氮端形 成反向β折 叠，碳端形成α－helix，与DNA大沟特异性接触。
（3）亮氨酸拉扣（leucine zipper）
多肽链上每隔7个氨基酸有一个亮氨酸残基，这些残基形成了
一种二聚体化基序。亮氨酸拉扣不与DNA相互作用，只是保 持另外2 个α螺旋与DNA结合，稳定其空间构象。 三种蛋白的共同特点：以α螺旋作为与DNA识别（作用）的 部位。
二、操纵子的转录调控
乳糖操纵子的编码产物
lacZ编码β-半乳糖苷酶，它可以将乳糖水解为半乳糖
和葡萄糖。 lacY编码半乳糖苷透性酶，它能将乳糖运送透过细菌 的细胞壁。 lacA编码硫代半乳糖苷乙酰转移酶。
阻遏蛋白
操纵序列存在反向重复对称，正好与由四个相同亚
基组成的阻遏蛋白的内部对称相匹配。
当乳糖缺乏时，阻遏蛋白占据了操纵序列的结合位