1、第六章：原核生物基因表達調控一、原核生物基因表達調控總論二、乳糖操縱子三、半乳糖操縱子四、色氨酸操縱子一、原核生物基因表達調控總論原核生物基因調控一般執行如下規律一個體系需要時被打開，不需要時被關閉。基因的開與關是相對的。開-關的活性可以通過轉錄水平上進行調節。 原核生物主要受到營養狀況和環境因素的影響真核生物主要是受發育階段和激素水平的影響基因表達調控主要表現在二個方面轉錄水平上的調控轉錄后水平上的調控轉錄水平上的調控負轉錄調控（ negative trnscription regulation) 調節基因的產物是阻遏蛋白正轉錄調控（positive transcription regula

2、tion) 調節基因的產物是激活蛋白負轉錄調控負控誘導 阻遏蛋白不與效應物結合時基因不轉錄。負控阻遏 阻遏蛋白與效應物結合時，基因不轉錄。正轉錄調控正控誘導 有效應物時，激活蛋白處于活性狀態基因轉錄。正控阻遏 有效應物時，激活蛋白處于無活性狀態基因不轉錄。負控誘導負控阻遏正控誘導正控阻遏1、原核生物基因調控機制的類型a、代謝產物對基因活性的調節b、弱化子對基因活性的調節c、降解物對基因活性的調節d、細菌的應急反應A、代謝產物對基因活性的調節誘導調節 是指一些基因在特殊的代謝物或化合物的作用下，由關-開。誘導調節阻遏調節 基因是開啟的，但由于一些特殊代謝物或化合物的積累將其關閉。阻遏調節弱化子在

3、操縱區與結構基因之間的一段可以 終止轉錄作用的核苷酸序列，稱為弱化子。B、弱化子對基因活性的影響 前 導 區 P O 162 bp E D C B A 123150 前導RNA 弱化子高色氨酸時低色氨酸時 AUG 7kb mRNA 有葡萄糖的存在即使在培養基中加入乳糖、半乳糖等誘導物，操縱子也不會啟動，這種現象稱為葡萄糖效應或稱為降解物抑制作用。C、降解物對基因活性的調節因為葡萄糖是最方便的能源，細菌所需能源可從葡萄糖得到滿足，無需啟動其它基因。當細菌生長過程中，氨基酸全面缺乏時，細菌將會產生應急反應，停止全部基因的表達。產生應急反應的信號是鳥苷四磷酸(ppGpp)和鳥苷五磷酸（pppGpp）

4、，是由空載的tRNA所引起的 。D、細菌的應急反應空載tRNA會激活焦磷酸轉移酶，使ppGpp大量合成，ppGpp的出現會關閉許多基因，PpGpp與pppGpp的作用能夠影響一大批操縱子，所以稱他們是超級調控子或稱為魔斑。2、啟動子與轉錄起始啟動子的結構影響了它與RNA聚合酶的親合力，從而影響基因的表達水平。-10區與-35區的最佳間距-35區與-10區之間的距離大約是1619bp，小于15bp或大于20bp都會降低啟動子的活性。 -35 171 -10-TTGACA-TATAA- 16 253、增強子可以提高轉錄的水平在轉錄起始點上游約-200bp處的兩段72bp長的重復序列，能增強或促進轉

5、錄的起始，去除這兩段序列會大大降低轉錄水平。4、RNA聚合酶與啟動子的相互作用（1）啟動子區的識別RNA聚合酶首先與非特異性結合位點相結合，形成過渡中間體，這種結合促進了酶向啟動子移動，最終達到特異性結合，也稱為掃描式。 （2）酶與啟動子的結合RNA聚合酶與啟動子區結合，形成二元復合物，然后開始合成RNA，形成三元復合物。 二元復合物 = 酶+DNA 三元復合物 = 酶+DNA+RNA（3）因子的結合和解離因子在酶與啟動子結合的過程中起重要作用： 提高酶辨認啟動子的能力； 降低酶與DNA的非特異性結合； 促進DNA開鏈；提高RNA鏈合成起始的速度； 阻止酶分子聚合。 5、環腺苷酸受體蛋白對轉錄

6、的調控 cAMP受體蛋白CRP（ cAMP receptor protein ）， cAMP與CRP結合后所形成的復合物稱激活蛋白CAP（ cAMP activated protein ）。在缺乏葡萄糖時，CAP合成量增加，CAP具有激活乳糖（Lac）等啟動子的功能。一些依賴于CRP的啟動子缺乏一般啟動子所具有的典型的-35區序列特征（TTGACA）。因此RNA聚合酶難以與其結合。 CAP能提高酶與啟動子結合常數CAP起到取代-35區功能的作用。CAP還能抑制RNA聚合酶與DNA中其它位點的結合，從而提高與其特定啟動子結合的概率。二、乳糖操縱子法國Jacob和Monod等人1961年提出(la

7、c operon)學說 。JacobMonod乳 糖 操 縱 子 的 結 構乳 糖 存 在 誘 導 基 因 轉 錄乳糖(lac)操縱子的表達調控1、阻遏蛋白的負性調控沒有乳糖時，1ac操縱子處于阻遏狀態。i 基因在自身的啟動子Pi 控制下，產生阻遏蛋白R。R以四聚體形式與操縱子o結合，阻礙RNA聚合酶與啟動子P的結合。 當有乳糖存在時，乳糖與R結合，使R四聚體解聚成單體，失去與o的親和力，與o解離，基因轉錄開放。2、CAP的正性調控 cAMP含量與葡萄糖的分解代謝有關，當細菌利用葡萄糖供給能量時，cAMP含量降低；無葡萄糖時，cAMP含量升高。 cAMP與CRP結合變為CAP，并以二聚體的方式

8、與特定的DNA序列結合。cAMP含量與葡萄糖的關系 CAP與DNA位點結合后，造成模板DNA發生大于90度彎曲有利于轉錄起始。 由于P1ac是弱啟動子，單純因乳糖的存在去阻遏使1ac操縱子轉錄開放，還不能使細胞很好利用乳糖，必須同時有CAP來加強轉錄活性，細菌才能合成足夠的酶來利用乳糖。1ac操縱子的強誘導既需要有乳糖的存在，又需要沒有葡萄糖可供利用，通過CAP的正調控作用，細菌才能充分利用乳糖。三、半乳糖（gal)操縱子不同于lac操縱子,沒有葡萄糖時可以被誘導,有葡萄糖存在時gal也能被誘導，因此認為gal中可能存在兩個啟動子。1、Gal操縱子的 結構特征 gal操縱子有兩個啟動子，PG1

9、和PG2。兩個RNA聚合酶結合位點 S1和 S2（轉錄起始點）mRNA可以從兩個不同的起始點開始轉錄。 它有兩個O區，一個在P區上游 67-73，而不是在P區與結構基因之間，另一個O區在結構基因galE內部。2、CAP對gal操縱子的作用 從S1起始的轉錄只有當培養基中無葡萄糖（G）時才能進行（與Lac操縱子同）。從S2起始的轉錄要依賴于葡萄糖，高水平的CAP能抑制從S2的轉錄，當有CAP時，轉錄從S1開始，無CAP時，轉錄從S2開始。3、雙啟動子的生理功能半乳糖對細菌有雙重作用；一方面可以作為碳源供細胞生長；另一方面它又是細胞壁的成分。 所以需要一個不依賴于CAP的啟動子（S2）進行本底水平

10、的永久型合成；同時以半乳糖作為碳源供細胞生長，需要一個依賴于CAP的啟動子（S1）對高水平合成進行調節。無G時轉錄從S1開始轉錄有G時轉錄從S2 開始四、色氨酸操縱子trp operon 細菌通常需要自己經過許多步驟合成色氨酸，但是一旦環境能夠提供色氨酸時，細菌就會充分利用外界的色氨酸。細菌所以能做到這點是因為有trp operon的調控。(一) 阻遏蛋白的負調控合成色氨酸所需酶類的基因E、D、C、B、A，受其上游調控蛋白R基因的調控。R并沒有與O結合的活性，只有當環境能提供足夠濃度的色氨酸時，R與色氨酸結合后而活化，能夠與O結合，阻遏結構基因的轉錄，開 關。 (二) 弱化子及其作用當色氨酸達

11、到一定濃度，但還沒有高到能夠活化R使其起阻遏作用的程度時，產生色氨酸合成酶類的量已經明顯降低，而且產生的酶量與色氨酸濃度呈負相關。這種調控現象與色氨酸操縱子特殊的結構有關。、色氨酸（Trp)操縱子結構特征 O與結構基因trpE之間有140bp的一段先導序列。當Trp濃度升高，能夠阻止RNA聚合酶的轉錄。先導序列含有3對反向重復序列，在被轉錄生成mRNA時都能夠形成發夾式結構，使轉錄終止。、終止轉錄的作用（弱化機制）A. 當色氨酸濃度低時，生成的tRNAtrp量就少，使核糖體沿mRNA翻譯移動的速度慢，趕不上RNA聚合酶沿DNA移動轉錄的速度，這時核糖體占據1位的機會較多，使1、2不能配對，2、

12、3配對，阻止了3、4生成終止信號的結構，trp操縱元處于開放狀態。 B. 當色氨酸濃度增高時，核糖體沿mRNA翻譯移動的速度加快，占據到2段的機會增加，2、3配對的機會減少，3、4形成終止結構的機會增多，轉錄減弱。C. 當所有氨基酸都不足時，核糖體翻譯移動的速度就更慢，甚至不能占據1的序列，結果有利于1、2和3、4發夾結構的形成，于是轉錄停止。等于告訴細菌：“整個氨基酸都不足，即使合成色氨酸也不能合成蛋白質，不如不合成以節省能量 ”。停止轉錄弱化機制所有氨基酸都不足時產生2個終止信號停止轉錄1、關于管家基因敘述錯誤的是 (A) 在生物個體的幾乎各生長階段持續表達 (B) 在生物個體的幾乎所有細

13、胞中持續表達 (C)在一個物種的幾乎所有個體中持續表達 (D) 在生物個體的某一生長階段持續表達 D2、一個操縱子（元）通常含有 (A) 數個啟動序列和一個編碼基因 (B) 一個啟動序列和數個編碼基因 (C) 一個啟動序列和一個編碼基因 (D) 兩個啟動序列和數個編碼基因 B3、Lac阻遏蛋白結合乳糖操縱子（元）的 (A) CAP結合位點 (B) O序列 (C) P序列 (D) I基因B4、cAMP與CRP結合、CAP介導正性調節發生在 (A) 葡萄糖及cAMP濃度極高時 (B) 沒有葡萄糖及cAMP較低時 (C) 沒有葡萄糖及cAMP較高時 (D) 有葡萄糖及cAMP較低時 C5、Lac阻遏

14、蛋白由 (A) Z基因編碼 (B) Y基因編碼 (C) A基因編碼 (D) I基因編碼 D6、色氨酸操縱子（元）調節過程涉及 (A) 轉錄水平調節 (B) 轉錄激活調節 (C) 翻譯水平調節 (D) 轉錄翻譯調節 D (A) Lac阻遏蛋白 (B) RNA聚合酶 (C) 環一磷酸腺苷 (D) CRP-cAMP 7、與O序列結合 8、與P序列結合 9、 與CRP結合 10、與CAP位點結合 ABCD11、乳糖、色氨酸等小分子物質在基因表達調控中作用的共同特點是A與啟動子結合B與DNA結合影響模板活性C與RNA聚合酶結合影響其活性D與蛋白質結合影響該蛋白質結合DNAD15、以下關于cAMP對原核基因轉錄的調控作用的敘述錯誤的是AcAMP可與CRP結合成復合物BcAMP-CRP復合物結合在啟動子前方C葡萄糖充足時，cAMP水平不高D葡萄糖和乳糖并存時，細菌優先利用乳糖D16、 Lac 阻遏蛋白由 _ 基因編碼，結合 _ 序列