原核基因表達調控上第1頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四基因表達=基因轉錄+翻譯基因表達的調控:

生物體隨時調整不同基因的表達狀態,以適應環境、維持生長和發育需要。第2頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四本章內容基因表達調控的基本概念原核基因調控機制乳糖操縱子色氨酸操縱子其他操縱子轉錄后水平上的調控第3頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四基因的表達調控包括基因水平的調控轉錄水平的調控轉錄產物加工的調控mRNA從細胞核向胞質轉運過程的調控翻譯水平的調控以及翻譯后的加工等第4頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四環境改變，mRNA和蛋白質的量也會發生變化。原核生物-----營養和環境真核生物-----激素水平和發育階段第5頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四

細菌的調控機制，體系在需要時打開，不需要時關閉，這種開-關活性是通過調節轉錄來建立的，即mRNA的合成可被調節。第6頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第一節基因表達調控的基本概念一、基因表達的概念

基因轉錄及翻譯的過程，從DNA到蛋白質或功能RNA的過程稱為基因表達，對這個過程的調節就稱為表達調控。rRNA、tRNA編碼基因轉錄合成RNA的過程也屬于基因表達。第7頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四

組成性表達(constitutiveexpression)適應性表達(adaptiveexpression）二、基因表達的方式第8頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四1、組成性表達：

指不大受環境變動而變化的一類基因表達。某些基因在一個個體的幾乎所有細胞中持續表達，通常被稱為管家基因(housekeepinggene)。第9頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四2、適應性表達

指環境的變化容易使其表達水平變動的一類基因表達。

應環境條件變化基因表達水平增高的現象稱為誘導(induction)，這類基因被稱為可誘導的基因。相反，隨環境條件變化而基因表達水平降低的現象稱為阻遏(repression)，相應的基因被稱為可阻遏的基因(repressiblegene)。

第10頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四三、基因表達的規律

——時間性和空間性1、時間特異性按功能需要，某一特定基因的表達嚴格按特定的時間順序發生，稱為基因表達的時間特異性。多細胞生物基因表達的時間特異性，又稱階段特異性。

第11頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四胚胎期胎兒期成人期第12頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四2、空間特異性

基因表達伴隨時間順序所表現出的這種分布差異，實際上是由細胞在器官的分布決定的，所以空間特異性又稱細胞或組織特異性。在個體生長全過程，某種基因產物在個體按不同組織空間順序出現，稱為基因表達的空間特異性。第13頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四

四、基因表達調控的生物學意義

適應環境、維持生長和增殖（原核、真核）

維持個體發育與分化（真核）了解生物生長發育規律、形態結構特征和生物學功能。第14頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第二節原核基因調控機制內容提要：原核基因表達調控環節操縱子學說原核基因調控機制的類型與特點轉錄水平上調控的其他形式

第15頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四基因表達的調控方式

阻遏負調控:調控蛋白+DNA序列基因的表達

(相應蛋白質降低)

促進正調控:調控蛋白+DNA序列基因的表達

(相應蛋白質增加)第16頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四原核生物基因表達的調控方式特點調控機制

--操縱子正調控負調控轉錄翻譯偶聯快速乳糖操縱子--負、正調控

轉錄起始的調控

色氨酸操縱子--負調控

轉錄終止的調控第17頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四

一個操縱子=編碼序列（2-6）+啟動序列+操縱序列+(其他調節序列)

操縱子：原核生物中幾個功能相關的結構基因成簇串聯排列組成的一個基因表達的協同單位。第18頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四啟動子操縱序列多個結構基因終止子5’3’調控區結合RNA聚合酶和調節蛋白編碼功能相關的蛋白質介導轉錄終止轉錄出多順反子mRNA，翻譯后得到多種蛋白質操縱子的基本結構第19頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四一、原核基因表達調控環節1、轉錄水平上的調控

2、轉錄后水平上的調控

①

mRNA加工成熟水平上的調控②

翻譯水平上的調控第20頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第21頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四

1、根據操縱子對調節蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）的應答，可分為：

正轉錄調控

負轉錄調控

二、原核基因調控機制的類型與特點第22頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四調節基因操縱基因結構基因阻遏蛋白激活蛋白正轉錄調控負轉錄調控第23頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四負轉錄調控

沒有調節蛋白質存在時基因是表達的，加入調節蛋白質后基因表達活性便被關閉，為負轉錄調控。

正轉錄調控沒有調節蛋白質存在時基因是關閉的，加入這種調節蛋白質后基因活性就被開啟，為正轉錄調控。第24頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四可誘導調節:指一些基因在特殊的代謝物或化合物的作用下，由原來關閉的狀態轉變為工作狀態，即在某些物質的誘導下使基因活化。例：大腸桿菌的乳糖操縱子分解代謝蛋白的基因2、根據操縱子對某些能調節它們的小分子的應答，可分為可誘導調節和可阻遏調節兩大類：第25頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四調節基因操縱基因結構基因阻遏蛋白調節基因操縱基因結構基因阻遏蛋白誘導物mRNA酶蛋白酶合成的誘導操縱子模型誘導物某種物質能夠促使細菌產生酶來分解它，這種物質就是誘導物。第26頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四可阻遏調節：基因平時是開啟的，處在產生蛋白質或酶的工作過程中，由于一些特殊代謝物或化合物的積累而將其關閉，阻遏了基因的表達。例：色氨酸操縱子合成代謝蛋白的基因第27頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四酶合成的阻遏操縱子模型調節基因操縱基因結構基因mRNA酶蛋白調節基因操縱基因結構基因輔阻遏物輻阻遏物：某種物質能夠阻止細菌產生合成這種物質的酶，這種物質就是輔阻遏物。第28頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四3、負轉錄調控系統中，調節基因的產物是阻遏蛋白，起著阻止結構基因轉錄的作用。根據其作用特征又可分為負控誘導和負控阻遏：在負控誘導系統中，阻遏蛋白與效應物（誘導物）結合時，結構基因轉錄；在負控阻遏系統中，阻遏蛋白與效應物（輔阻遏物）結合時，結構基因不轉錄。第29頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第30頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四4.正轉錄調控系統中，調節基因的產物是激活蛋白。根據激活蛋白的作用性質分為正控誘導和正控阻遏正控誘導系統中，效應物分子（誘導物）的存在使激活蛋白處于活性狀態；正控阻遏系統中，效應物分子（輔阻遏物）的存在使激活蛋白處于非活性狀態。第31頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第32頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四四、轉錄水平上調控的其他形式1、σ因子的更換

在E.coli中,當細胞從基本的轉錄機制轉入各種特定基因表達時，需要不同的因子指導RNA聚合酶與各種啟動子結合。第33頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四大腸桿菌中的各種σ因子比較σ因子編碼基因主要功能σ70rpoD參與對數生長期和大多數碳代謝過程基因的調控σ54rpoN參與多數氮源利用基因的調控σ38rpoH分裂間期特異基因的表達調控σ32rpoS熱休克基因的表達調控σ28rpoF鞭毛趨化相關基因的表達調控σ24rpoE過度熱休克基因的表達調控第34頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四溫度較高,誘導產生各種熱休克蛋白由σ32參與構成的RNA聚合酶與熱休克應答基因啟動子結合,誘導產生大量的熱休克蛋白,適應環境需要。枯草芽孢桿菌芽孢形成

有序的σ因子的替換,RNA聚合酶識別不同基因的啟動子,使芽孢形成有關的基因有序地表達。第35頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四2、弱化子對基因活性的影響3、降解物對基因活性的調節又稱葡萄糖阻遏或分解代謝產生阻遏作用。葡萄糖或某些容易利用的碳源，其分解代謝產物阻遏某些誘導酶體系編碼的基因轉錄的現象。

第36頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四

在含葡萄糖和乳糖的培養基上，在葡萄糖沒有被利用完之前，乳糖操縱子就一直被阻遏，乳糖不能被利用；直到葡萄糖被利用完后，乳糖操縱子才進行轉錄，形成利用乳糖的酶。第37頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四五、細菌的應急反應信號：鳥苷四磷酸ppGpp,ppGpp，會關閉很多基因。第38頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第三節乳糖操縱子

內容提要：乳糖操縱子的結構酶的誘導——lac體系受調控的證據乳糖操縱子調控模型影響因子Lac操縱子中的其他問題第39頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四一、操縱子學說1、操縱子模型的提出1961年，Monod和Jacob提出，獲1965年諾貝爾生理學和醫學獎。第40頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第41頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四2、操縱子的定義操縱子：是基因表達的協調單位，由啟動子、操縱基因及其所控制的一組功能上相關的結構基因所組成。操縱基因受調節基因產物的控制。第42頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四Lac操縱子主要組分分析mRNA多肽蛋白質功能第43頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四二、乳糖操縱子的結構第44頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四Z編碼β-半乳糖苷酶：將乳糖水解成葡萄糖和半乳糖Y編碼β-半乳糖苷透過酶：使外界的β-半乳糖苷（如乳糖）能透過大腸桿菌細胞壁和原生質膜進入細胞內。A編碼β-半乳糖苷乙酰基轉移酶：乙酰輔酶A上的乙酰基轉到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。第45頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四二、酶的誘導——lac體系受調控的證據加入乳糖

去掉乳糖第46頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四安慰誘導物：

如果某種物質能夠促使細菌產生酶而本身又不被分解，這種物質被稱為安慰誘導物，如IPTG（異丙基-β-D-硫代半乳糖苷）。第47頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四β-半乳糖苷酶結合lac阻遏物第48頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四三、乳糖操縱子調控模型主要內容：①Z、Y、A基因的產物由同一條多順反子的mRNA分子所編碼

Protein第49頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四②這個mRNA分子的啟動子緊接著O區，而位于I與O之間的啟動子區（P），不能單獨起動合成β-半乳糖苷酶和透過酶的生理過程。第50頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四③操縱基因是DNA上的一小段序列（僅為26bp），是阻遏物的結合位點。第51頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四Lac操縱子的起點處的抑制子和RNA聚合酶位點重合RNA聚合酶結合部位阻遏物結合部位第52頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第53頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四

④當阻遏物與操縱基因結合時，lacmRNA的轉錄起始受到抑制。

第54頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第55頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四⑤誘導物通過與阻遏物結合，改變它的三維構象，使之不能與操縱基因結合，從而激發lacmRNA的合成。

當有誘導物存在時，操縱基因區沒有被阻遏物占據，所以啟動子能夠順利起始mRNA的合成。第56頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第57頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四組成型突變：lacOc

第58頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四組成型突變：lacI-

第59頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四不可誘導突變（超阻遏）：第60頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四四、影響因子1、lac操縱子的本底水平表達有兩個矛盾是操縱子理論不能解釋的：①誘導物需要穿過細胞膜才能與阻遏物結合，而轉運誘導物需要透過酶，后者的合成有需要誘導。解釋：一些誘導物可以在透過酶不存在時進入細胞？一些透過酶可以在沒有誘導物的情況下合成？√第61頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四②真正的誘導物是異構乳糖而非乳糖，前者是在β-半乳糖甘酶的催化下由乳糖形成的，因此，需要有β-半乳糖甘酶的預先存在。解釋：本底水平的組成型合成：非誘導狀態下有少量的lacmRNA合成。第62頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四

2、大腸桿菌對乳糖的反應培養基：甘油

按照lac操縱子本底水平的表達，每個細胞內有幾個分子的β-半乳糖苷酶和β-半乳糖苷透過酶。培養基：加入乳糖少量乳糖透過酶進入細胞β-半乳糖苷酶異構乳糖誘導物誘導lacmRNA的生物合成大量乳糖進入細胞多數被降解為葡萄糖和半乳糖（碳源和能源）異構乳糖第63頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四乳糖第64頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四誘導物的加入和去除對lacmRNA的影響第65頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四3、阻遏物lacI基因產物及功能

Lac操縱子阻遏物mRNA是由弱啟動子控制下組成型合成的，每個細胞中有5-10個阻遏物分子。

當I基因由弱啟動子突變成強啟動子，細胞內就不可能產生足夠的誘導物來克服阻遏狀態，整個lac操縱子在這些突變體中就不可誘導。第66頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四4、葡萄糖對lac操縱子的影響

如果將葡萄糖和乳糖同時加入培養基中，lac操縱子處于阻遏狀態，不能被誘導；一旦耗盡外源葡萄糖，乳糖就會誘導lac操縱子表達分解乳糖所需的三種酶。

代謝物阻遏效應第67頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第68頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四5、cAMP與代謝物激活蛋白代謝物激活蛋白（CAP）/環腺甘酸受體蛋白（CRP）

cAMP在真核生物的激素調節中起作用。第69頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四ATP腺甘酸環化酶cAMP（環腺甘酸）

大腸桿菌中：無葡萄糖，cAMP濃度高；

有葡萄糖，cAMP濃度低。第70頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四ZYAOPDNA調控區CAP結合位點啟動序列操縱序列結構基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基轉移酶cAMP—CAP復合物第71頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第72頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四++++

轉錄無葡萄糖，cAMP濃度高時促進轉錄有葡萄糖，cAMP濃度低時不促進轉錄ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP的正調控第73頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四當阻遏蛋白封閉轉錄時，CAP對該系統不能發揮作用。如無CAP存在，即使沒有阻遏蛋白與操縱序列結合，操縱子仍無轉錄活性。cAMP—CAP復合物與啟動子區的結合是轉錄起始所必需的。協調調節第74頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四葡萄糖對lac操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏。單純乳糖存在時，細菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時，細菌首先利用葡萄糖。第75頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第76頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四五、Lac操縱子中的其他問題1、A基因及其生理功能半乳糖苷分子（IPTG）β-半乳糖甘酶分解產物（體內積累）β-半乳糖苷乙酰基轉移酶乙酰化半乳糖苷分子（IPTG）乙酰基第77頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四2、lac基因產物數量上的比較β-半乳糖苷酶：透過酶：乙酰基轉移酶=1：0.5：0.2第78頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四翻譯水平上受到調節：（1）lacmRNA可能與翻譯過程中的核糖體相脫離，從而終止蛋白質鏈的翻譯；第79頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四（2）在lacmRNA分子內部，A基因比Z基因更容易受內切酶作用發生降解。第80頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四3、操縱子的融合與基因工程POZYAtsxPOpur結構基因缺失乳糖lacoperon負責嘌呤合成puroperonLac啟動子是強啟動子，可以用于增加蛋白表達量。第81頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第四節色氨酸操縱子（trpoperon）內容提要：色氨酸操縱子的結構色氨酸操縱子的阻遏系統色氨酸操縱子的弱化機制第82頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四一、色氨酸操縱子的結構

調控基因結構基因

催化分枝酸轉變為色氨酸的酶

trpRtrp第83頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第84頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四特點:(1)trpR和trpABCDE不連鎖；

(2)操縱基因在啟動子內

(3)有衰減子(attenuator)/弱化子(4)啟動子和結構基因不直接相連，二者被前導序列(Leader)所隔開

P：起動子；O：操縱子；l：前導序列；a：衰減子第85頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四二、trp

操縱子的阻遏系統低Trp時：阻遏物不結合操縱基因;高Trp時：阻遏物+Trp,結合操縱基因第86頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四三、trp

操縱子的弱化機制衰減子/弱化子前導序列（leadersequence）第87頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四123~1501、弱化子：

DNA中可導致轉錄過早終止的一段核甘酸序列（123-150區）。第88頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四

研究引起終止的mRNA堿基序列，發現該區mRNA通過自我配對可以形成莖-環結構，有典型的終止子特點。

Trp弱化子mRNA終止區第89頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四2、前導序列：在trpmRNA5’端trpE基因的起始密碼前

一個長162bp的mRNA片段。第90頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四

trp操縱子控制區由啟動子、操縱基因、前導順序和衰減子構成。前導區編碼14個氨基酸，其中有2個是色氨酸。

第91頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四3、弱化機制第92頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四

前導肽轉錄終止結構第93頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四阻遏作用使轉錄降低70倍弱化作用使轉錄降低600倍第94頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四弱化子存在的意義？阻遏物：無活性→有活性，速度慢

弱化子通過抗終止子的方法增加trp基因的表達，可迅速提高內源色氨酸濃度。第95頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四

細菌通過弱化作用彌補阻遏作用的不足，阻遏作用只能使轉錄不起始，對于已經起始的轉錄，只能通過弱化作用使之中途停下來。弱化子存在的意義第96頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四阻遏作用的信號是細胞內色氨酸的多少；弱化作用的信號則是細胞內載有色氨酸的tRNA的多少,通過前導肽的翻譯來控制轉錄進行。

在細菌細胞內這兩種作用相輔相成。第97頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第五節其他操縱子一、半乳糖操縱子

異構酶(galE)乳糖-磷酸尿嘧啶核苷轉移酶(galT)

半乳糖激酶(galk)半乳糖葡萄糖-1-磷酸第98頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四gal操縱子的特點：①有兩個啟動子，其mRNA可從兩個不同的起始點開始轉錄；②有兩個O區，一個在P區上游，另一個在結構基因galE內部。第99頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四培養基中無葡萄糖，有cAMP-CRP，S1轉錄開始；培養基中有葡萄糖，無cAMP-CRP，S2轉錄開始；

體現必要性和經濟性第100頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四二、阿拉伯糖操縱子araB基因、araA基因和araD,形成一個基因簇，簡寫為araBAD三個基因的表達受到ara操縱子中araC基因產物AraC蛋白的調控。

第101頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四ara操縱子的調控有兩個特點：1.araC表達受到AraC的自身調控。2.AraC既是ara操縱子的正調節蛋白（需cAMP-CRP的共同參與，起始轉錄），又是其負調節蛋白，這種雙重功能是通過AraC蛋白的兩種異構體來實現的（Pi和Pr)。第102頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第103頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四有葡萄糖，但阿拉伯糖水平低時：Pr阻遏發生，負調控第104頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四有阿拉伯糖，無葡萄糖時：Pi轉錄進行，可以利用阿拉伯糖第105頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四三、阻遏蛋白LexA的降解與細菌中的SOS應答

細菌DNA受破壞時，SOS應答啟動誘導型DNA修復系統。第106頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四SOS反應的機理：由RecA蛋白和LexA阻遏物的相互作用引起的。LexA阻遏物：是SOSDNA修復系統所有基因的阻遏物RecA蛋白：是SOS反應的最初的發動因子。在單鏈DNA和ATP存在時，RecA蛋白被激活，表現出水解酶活性，分解LexA阻遏物。第107頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四

當RecA水解LexA阻遏物后，導致SOS體系（包括recA基因）高效表達，DNA得到修復。第108頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四四、多啟動子調控的操縱子1.rRNA操縱子P1P2rrnE饑餓狀態下ppGpp濃度增加，P1被關閉，P2仍可以啟動。第109頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四2.DnaQ蛋白操縱子DnaQ蛋白校正DNA復制。P1P2dnaQRNA聚合酶活性低時，弱啟動子P2控制DnaQ合成；RNA聚合酶活性高時，強啟動子P1被激活。第110頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四五、固氮基因調控

生物固氮（將氮氣還原為氨）是農業生態系統重要的氮源之一，也是地球化學中氮素循環的一個重要的環節，以豆科植物和根瘤菌的共生固氮為主，可占生物固氮量的1/2。第111頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四大氣中的N2尿素及動植物遺體NO3-土壤中的微生物NH3NO3-氮素化肥氮循環

第112頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四

生物固氮農業生態系統重要的氮源之一，也是地球化學中氮素循環的一個重要的環節；以豆科植物和根瘤菌的共生固氮為主，可占生物固氮量的1/2，每年固定2-5億噸的氮。第113頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四由于多數農作物缺乏共生固氮作用和大多數土壤缺乏氮素，因而氮肥往往成為農業增產的限制因素。20世紀40年代以來，氮肥工業合成的發展使農田單產迅速大幅度提高。第114頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四

1970年代以來，人工合成氮素化肥的能源耗費和環境污染問題開始顯露出來，各先進國家近年來正力圖減少氮肥的使用，于是生物固氮研究更加受到世界各國的重視，成為一個全球性的戰略課題，它對環境、糧食、人口等問題有著重要意義。第115頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四生物固氮研究基因酶細胞生態系水平第116頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四研究生物固氮的途徑和機理最終目的提高現有固氮生物的固氮能力；提供高效優質的微生物肥料，為農業開發肥源；用分子生物學等方法促使不固氮作物固氮；人工模擬固氮酶在常溫常壓下還原分子氮，使氨的工業合成有一個歷史性突破。

第117頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四生物固氮的調控生物固氮只限于原核類微生物(細菌和放線菌)；所有不同種類的固氮微生物都由共同的固氮基因(nif)控制著固氮特性遺傳，nif基因和固氮酶只存在于固氮菌體中；具有共生固氮特性的高等植物僅提供宿主條件，以便固氮菌的固氮效能得到充分表達。

第118頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四1、克氏肺炎桿菌的固氮基因

克氏肺炎桿菌中存在著17～18個nif基因，這些基因都位于其染色體上:固氮酶結構基因nifKDH;調節基因nifAL;固氮酶合成后的加工基因nifB;其它與電子傳遞相關的基因。第119頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四2、根瘤菌的固氮基因根瘤菌中的nif基因和結瘤基因都被定位在質粒上。在根瘤菌的質粒中除了固氮基因之外還存在著結瘤基因(nod)，使宿主的根毛變形彎曲的基因(hac)、根瘤起始基因(noi)、產生色素的基因(pig)等。

第120頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四3、nif

操縱子的結構和功能QBALFMVSUXNEYKDHJnif第121頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四nifAL基因控制整個固氮系統的表達與活性。nifA和nifL基因產物分別是nif操縱子的正負調控因子。當細胞內沒有NifL蛋白時，nifA基因產物足以激活其它nif基因的表達，甚至在有NH3和O2存在時也如此。第122頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四有活性失活

nifA

nifA

nifL

nifL肺炎克氏桿菌氮過量氮源少第123頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四第六節轉錄水平上的其他調控方式一、σ因子的調節作用原核生物RNA聚合酶的一個亞基，是轉錄起始所必需的因子，主要影響RNA聚合酶對轉錄起始位點的正確識別。

第124頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四特殊的σ因子調控不同的基因σ32調控熱休克基因σ54調控氮代謝基因σF調控鞭毛基因σ43調控噬菌體基因第125頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四不同的時期起作用的σ因子不同如Bacillus在營養缺乏時形成孢子，孢子的形成需要4種不同的σ因子，σ因子活性受蛋白水解酶的調控。第126頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四二、組蛋白類似蛋白的調節作用細菌中非特異性的DNA結合蛋白，用來維持DNA的高級結構，稱為組蛋白類似蛋白。抑制轉錄第127頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四三、轉錄調控因子的作用定義：可以基因的啟動子區結合，對基因轉錄起激活或抑制作用的DNA結合蛋白。激活抑制第128頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四大腸桿菌中300多個轉錄調控因子第129頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四四、抗終止因子的調節作用抗終止因子：能夠在特定位點阻止轉錄終止的一類蛋白質。第130頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四一、mRNA自身結構元件對翻譯起始的調控

核糖體結合位點RBS：mRNA鏈上起始密碼子AUG上游的一段非翻譯區。其它的起始密碼子：UUG、GUG、AUU

第七節轉錄后水平上的調控3%14%第131頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四RBS的結合強度取決于SD序列的結構及其與起始密碼子AUG之間的距離，SD序列改變導致表達效率改變。第132頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四二、mRNA穩定性對轉錄水平的影響

細胞內的一系列核酸酶用于清除無用的mRNA。糖原合成被抑制不穩定構象glgmRNA降解第133頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四三、調節蛋白的調控作用mRNA結合蛋白可激活靶基因的翻譯；mRNA特異性抑制蛋白通過與核糖體競爭性結合mRNA來抑制翻譯起始。第134頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四核糖體蛋白對自身mRNA翻譯的抑制作用第135頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四四、反義RNA對翻譯的影響1983年，Mizuno等發現反義RNA的調節作用，從而揭示了一種新的基因表達調控機制。反義RNA:指具有互補序列的RNA,可調節mRNA的翻譯。第136頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四反義RNA對翻譯的抑制第137頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四反義RNA有三種作用方式：1、與mRNA5’端非翻譯區包括SD序列相結合，直接抑制翻譯。2、與mRNA5’端編碼區起始密碼子AUG結合，抑制mRNA翻譯起始。3、與mRNA的非編碼區互補結合，使mRNA構象改變，影響其與核糖體結合，間接抑制了mRNA的翻譯。第138頁，共149頁，2023年，2月20日，星期四反義RNA對bfr基因翻譯的抑制作用鐵離子濃度低鐵離子濃