5 原核生物的基因表达调控

（1）细菌对营养的适应
① 一般细菌如大肠杆菌所需的碳源首先是葡萄糖，利用葡萄 糖发酵获得能量，维持生存。在缺乏葡萄糖时细菌也可利 用其它糖类作为碳源维持生生活。
② 乳糖不能直接作为碳源或能源，必须先通过β-半乳糖苷酶 （β-galactosidase）被分解成简单的葡萄糖和半乳糖。
③ 当细胞需要一种蛋白质时与它不需要时相比，能以极大数 量存在。
cAMP的化学结构式
② CAP或CRP（Catabolite receptor protein） 代谢物激活蛋 白
✓ 由Crp基因编码,能与cAMP形成复合物,帮助RNA聚合酶
有效地与乳糖启动子结合，使更多的RNA的合成起始进 行。 ✓ 细菌对cAMP-CRP复合物的需要是独立的，与阻遏体系无 关，转录必需有cAMP-CRP复合物结合在DNA启动子区。 ✓ CRP和阻遏物控制RNA聚合酶分子与启动子结合的速度， 一个为正控，一个为负控。
（5）组成蛋白和调节蛋白
• 细胞内有许多种蛋白质的含量几乎不受外界环境的影响， 这些蛋白质称为组成蛋白。主要受启动子的天然效率、 核糖体阅读信使mRNA的速度和mRNA的稳定性影响。
• 调节蛋白是一类特殊的蛋白质，它们可以影响一种或多 种基因的表达。 可分为正调节蛋白和负调节蛋白，前者 是激活蛋白，后者是阻遏蛋白。
（4）操纵基因和阻遏蛋白
• 操纵基因是操纵子的控制基因，在操纵子上一般与启动 子相邻，通常处于开放状态，使RNA聚合酶通过并作用 于启动子启动转录。
• 阻遏蛋白是负控系统中由调节基因编码的调节蛋白，它 本身或与辅阻遏物一起结合于操纵基因，阻遏操纵子结 构基因的转录。阻遏蛋白可被诱导物变构失活，从而导 致不可阻遏或去阻遏。
• 正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白，也可根 据其作用性质分为正控诱导系统和正控阻遏系统。正控诱 导系统中，效应物的存在使激活蛋白处于活性状态；正控 阻遏系统中，效应物分子的存在使激活蛋白处于非活性状 态。
5.1.5 原核生物基因调控的主要特点
• 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的状态，即在某些物 质的诱导下使基因活化。如乳糖操纵子。
当葡萄糖和乳糖同时存在于培养基中时,lac启动子表达受阻,没有β-半乳糖 苷酶活性;当葡萄糖消耗完以后(箭头处),细胞cAMP浓度增加, β-半乳糖苷 酶活性增加,一度停止生长那的细胞又恢复分裂.
(5) cAMP与代谢物激活蛋白
① cAMP 是在腺苷酸环化酶作用下转变而来的，在大肠杆 菌中其浓度受葡萄糖代谢的调节。缺乏葡萄糖时，它的浓 度就高，有葡萄糖时，浓度就低。cAMP并不能直接促进 lac mRNA的合成，而靠结合在CRP上起作用。
色氨酸的合成分5步完成，有7个结构基因，编码5种酶。
✓ trpE（和/或trpG）:编码邻氨基苯甲酸合成酶 ✓ trpD：编码邻氨基苯甲酸焦磷酸转移酶 ✓ trpF：编码邻氨基苯甲酸异构酶 ✓ trpB、trpA:编码色氨酸合成酶的a和β亚基 ✓ trpC：编码吲哚甘油-3-磷酶合成酶
trpE 是第一个被翻译的基因，紧临的是启动子区和操纵子 区。另外还有前导区（trp L）和弱化子区（trp a）
• 色氨酸操纵子的第二水平控制是色氨酸操纵子的弱化系统， 它决定着已经启动的转录是否能够继续进行下去。
5.3.2 色氨酸操纵子的阻遏系统
• Trp 操纵子中产生阻遏物的基因是trpR，距trp基因簇很
远。trpR 基因突变常引起trp mRNA的组成型合成，该 基因产物被成为辅阻遏蛋白（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。该 辅阻遏蛋白与色氨酸结合形成有活性的阻遏物，与操纵区
5.2.2 乳糖操纵子的结构
• 大肠杆菌乳糖操纵子包括3个结构基因Z、Y、A以及启动 子，控制子和阻遏子等。
• 编码3种酶：
– β-半乳糖苷酶基因（lacZ），水解乳糖为葡萄糖和半乳糖； – β-半乳糖苷透过酶基因（lacY），促进β-半乳糖苷进入细胞； – β-半乳糖苷乙酰基转移酶基因（lacA），催化乙酰基团从乙酰辅
5.2.5 操纵子模型的影响因子
(1) 本底水平表达 (2) 矛盾??
① 诱导物需要在透过酶的转运下穿过细胞膜才能与阻遏物结 合。一些透过酶可以在没有诱导物的情况下合成。
② 乳糖并不与阻遏物相结合，真正的诱导物时乳糖的异构 体——异构乳糖，而后者是在β-半乳糖苷酶的作用下由 乳糖形成的。因此，乳糖诱导β-半乳糖苷酶的合成需要有 β-半乳糖苷酶的预先存在。
5.1.３ 真核与原核生物转录及翻译调控的总体特征比较
5.1.４原核生物的基因调控类型
• 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。
• 负转录调控系统中，调节基因的产物是阻遏蛋白，起阻止 结构基因转录的作用。根据其作用特征可分为负控诱导和 负控阻遏二大类。在负控诱导系统中，阻遏蛋白不与效应 物（诱导物）结合时，结构基因不转录；负控阻遏系统中， 阻遏蛋白与效应物结合时，结构基因不转录。
• 基因表达调控主要表现在2个方面：转录水平上的调控；转录后水 平上的调控，包括mRNA加工成熟水平上的调控和翻译水平上的 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，而真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平和发育阶段是 基因表达调控的主要手段。
5.1.2 几个重要概念
转录起始复合物的效率。
5.2.7 lac操纵子中的其他问题
（1）A基因及其生理功能 ✓ 抑制β-半乳糖苷酶产物的有害衍生物在细胞内的积累，利于
生物进化。
（2）lac基因产物数量上的比较（1:0.5:0.2）
✓ 翻译过程mRNA与核糖体可能脱离 ✓ A比Z更易受内切酶作用发生降解 （3）操纵子的融合与基因工程
④ 当阻遏物与操纵区结合时，lac mRNA的转录起始受到抑制。
⑤ 诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，使之不能与操纵区相 结合，从而激发lac mRNA合成。这就是说，有诱导物存在时，操纵 区没有阻遏物占据，启动子能够顺利起始mRNA的转录。
5.2.4 酶的诱导——lac体系受调控的证据
③ 在非诱导状态下有少量的lac mRNA合成（大约每个世代 中有1-5个mRNA分子），这种合成被称为本底水平的组 成型合成（background level constitutive synthesis）。
(2) 大肠杆菌对乳糖的反应
培养基中有无诱导物对lac mRNA及β-半乳糖苷酶活性的影响
• 在不含乳糖及β-半乳糖苷的培养基中，lac基因型大肠杆 菌细胞内β-半乳糖苷酶和透过酶的浓度很低，每个细胞 内大约只有1－2个酶分子。但如果在培养基中加入乳糖， 酶的浓度很快达到细胞总蛋白量的6％或7％，每个细胞 中可有超过105个酶分子。
• 当有乳糖供应时，在无葡萄糖培养基中生长的lac细菌 中将同时合成β-半乳糖苷酶和透过酶。进一步用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1－2min后，编码β-半乳糖苷酶和透过酶 的lac mRNA量就迅速增加；
③ cAMP-CRP复合物对lac操纵子的正调控:
✓ 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 Nhomakorabea实现的。
✓ 糖代谢中有关酶都是由可诱导的操纵子控制的。只要有葡萄糖存 在，这些操纵子就不表达，被称为降解敏感型操纵子。实验证明， 这些操纵子都是由cAMP-CRP调节的，cAMP-CRP结合位点存 在序列特异性。
细胞内就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就不可诱导。
(4) 葡萄糖对操纵子的影响
• 如果将葡萄糖和乳糖同时加入培养基中，大肠杆菌在耗尽 外源葡萄糖之前不会诱发lac操纵子。
• 研究发现，葡萄糖对乳糖操纵子表达的抑制是间接的。不 是葡萄糖而是它的某些降解产物抑制lac mRNA的合成，科 学上把葡萄糖的这种效应称为代谢物阻遏效应 （catabolite repression）
5.3 色氨酸操纵子与负控阻遏系统
• 色氨酸是构成蛋白质的组分，一般的环境难以给细菌提供足 够的色氨酸，细菌要生存繁殖通常需要自己经过许多步骤合 成色氨酸，但是一旦环境能够提供色氨酸时，细菌就会充分 利用外界的色氨酸、减少或停止合成色氨酸，以减轻自己的 负担。细菌所以能做到这点是因为有色氨酸操纵子(trp operon)的调控。
✓ cAMP-CRP复合物结合与启动子区的结合是lac mRNA合成所
必需。cAMP-CRP复合物结合于启动子的上游，使DNA双螺旋 发生弯曲，有利于形成稳定开放型启动子－RNA聚合酶结构。
大肠杆菌乳糖操纵子启动区CRP-cAMP及-35区,-10区序列分析
CRP-cAMP与上游DNA位点结合后造成模 板DNA沿对称序列中央发生大于900的弯曲
酶A转移到β-半乳糖苷分子上。
5.2.3 乳糖操纵子的控制模型
① Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子的mRNA所编码；
② 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；
③ 操纵区(O)是DNA上的一小段序列（仅26bp）是阻遏物的结合位点。
• 去掉乳糖后，lac mRNA量立即下降到几乎无法检测到， 表明乳糖确实激发lac mRNA的合成。而两种酶活性却 由于蛋白质半衰期较长而在相当长时间内维持恒定。
• 在研究诱导作用时，实验室常用两种含硫的乳糖类似物—— 异丙基巯基半乳糖苷（IPTG）和巯甲基半乳糖苷（TMG）。 在酶活性分析时常用发色底物O-硝基半乳糖苷（ONPG）， 它们都是高效诱导物，由于它们不是半乳糖苷酶的底物，所 以又称为安慰性诱导物（gratuitous inducer）。