基因的表達與調控

——原核基因表達調控模式12Contents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3第一節基因表達調控的基本概念一、基因表達的概念geneexpression

：基因轉錄及翻譯的過程。對這個過程的調節就稱為generegulation

。rRNA、tRNA編碼基因轉錄合成RNA的過程也屬于基因表達4

組成性表達(constitutiveexpression)適應性表達(adaptiveexpression）二、基因表達的方式5

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)。62、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(induciblegene)；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)。

7三、基因表達的規律

——時間性和空間性1、時間特異性（temporalspecificity）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，稱之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(stagespecificity)。

892、空間特異性(spatialspecificity)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(cellortissuespecificity)。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，稱之為基因表達的空間特異性。10四、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）11Contents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12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

13原核生物基因組結構特點①基因組中很少有重復序列；②編碼蛋白質的結構基因為連續編碼，且多為單拷貝基因，但編碼rRNA的基因仍然是多拷貝基因；③結構基因在基因組中所占的比例（約占50%）遠遠大于真核基因組；④許多結構基因在基因組中以操縱子為單位排列原核生物基因組是具有超螺旋結構的閉合環狀DNA分子14一、原核基因表達調控環節1、轉錄水平上的調控（transcriptionalregulation）2、轉錄后水平上的調控（post-transcriptionalregulation）①

mRNA加工成熟水平上的調控②

翻譯水平上的調控15二、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16JacobandMonod17

大腸桿菌可以利用葡萄糖、乳糖、麥芽糖、阿拉伯糖等作為碳源而生長繁殖，當培養基中含有葡萄糖和乳糖時，細菌優先使用葡萄糖，當葡萄糖耗盡，細菌停止生長，經過短時間所以適應，就能利用乳糖，細菌繼續呈指數式繁殖增長。182、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。19

蛋白質因子特異DNA序列結構基因

啟動子

操縱序列阻遏蛋白基因

(promoter)(operator)20啟動子是RNA聚合酶識別和結合的部位。RNA轉錄起始-35區-10區TTGACATTAACTTTTACATATGATTTTACATATGTTTTGATATATAATCTGACGTACTGTN17N16N17N16N16N7N7N6N7N6AAAAAtrptRNATyrlacrecAAraBADTTGACATATAAT共有序列21操縱序列是阻遏蛋白的結合位點當操縱序列結合有阻遏蛋白時，會阻礙RNA聚合酶與啟動序列的結合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移動，阻礙轉錄。啟動序列編碼序列操縱序列pol阻遏蛋白22一、轉錄調控是以特定的DNA序列和蛋白質結構為基礎（一）特定的DNA序列是轉錄起始調控的結構基礎

在基因內和基因外都有一些特定的DNA序列，與結構基因表達調控相關、能夠被基因調控蛋白特異性識別和結合，這些特定的DNA序列稱為順式作用元件（cis-actingelements），亦稱為順式調控元件。在原核生物中主要是啟動子、阻遏蛋白結合位點、正調控蛋白結合位點、增強子等。23（二）調控蛋白具有結合DNA所需的結構特征

基因特異性轉錄因子（genespecifictranscriptionfactors）:能夠與順式作用元件特異性結合、對基因表達的轉錄起始過程有調控作用的蛋白質激活蛋白或正調控蛋白:對基因表達有激活作用的蛋白質阻遏蛋白:對基因表達有抑制作用的蛋白質24最常見的DNA結合域：

1.鋅指(zincfinger)C——CysH——His常結合GC盒25123standforzincion262.螺旋-回折-螺旋（helix-turn-helix,HTH）usuallybindstoCAATbox2728

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

三、原核基因調控機制的類型與特點29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正轉錄調控如果在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，這樣的調控正轉錄調控。30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負轉錄調控在沒有調節蛋白質存在時基因是表達的，加入這種調節蛋白質后基因表達活性便被關閉，這樣的調控負轉錄調控。31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：32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如果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。33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34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輔阻遏物如果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。353、在負轉錄調控系統中，調節基因的產物是阻遏蛋白（repressor），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。36374、在正轉錄調控系統中，調節基因的產物是激活蛋白（activator）。根據激活蛋白的作用性質分為正控誘導和正控阻遏在正控誘導系統中，效應物分子（誘導物）的存在使激活蛋白處于活性狀態；在正控阻遏系統中，效應物分子（輔阻遏物）的存在使激活蛋白處于非活性狀態。3839四、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。40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41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422、降解物對基因活性的調節3、弱化子對基因活性的影響43Contents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44第三節乳糖操縱子(lacoperon)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45一、乳糖操縱子的結構46Z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。47二、酶的誘導——lac體系受調控的證據48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）。4950乳糖51三、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

5253②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。5455③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。56RNA聚合酶結合部位阻遏物結合部位57操縱位點的回文序列58

④當阻遏物與操縱基因結合時，lacmRNA的轉錄起始受到抑制。

5960⑤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。6162組成型突變：lacOc

63組成型突變：

lacI-64不可誘導突變（超阻遏）：65四、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所不能解釋的：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？√66②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。672、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68乳糖69誘導物的加入和去除對lacmRNA的影響703、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。714、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725、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）

73ZYAOPDNA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7475ATP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76++++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77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。協調調節葡萄糖對lac操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏(catabolicrepression)。

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。7879TheLacOperon:

WhenGlucoseIsPresentButNotLactoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveComeon,letmethroughNowayJose!CAP80TheLacOperon:

WhenLactoseIsPresentButNotGlucoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorXThislactosehasbentmeoutofshapeCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yipee…!81TheLacOperon:

WhenNeitherLactoseNorGlucoseIsPresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveRepressorSTOPRighttherePolymeraseAlright,I’mofftotheraces...Comeon,letmethrough!82五、Lac操縱子中的其他問題1、A基因及其生理功能半乳糖甘分子（IPTG）β-半乳糖甘酶分解產物（體內積累）β-半乳糖甘乙酰基轉移酶半乳糖甘分子（IPTG）乙酰基832、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；（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。843、操縱子的融合與基因工程POZYAtsxPOpur結構基因缺失lacoperonpuroperon85Contents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86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87色氨酸操縱子的兩種調控方式粗調：可阻遏的負調控，即由輔阻遏物（色氨酸）和阻遏蛋白R構成的活性阻遏復合物結合到操縱基因上，由于操縱基因和啟動子的重疊，造成RNA聚合酶受阻，操縱子不能轉錄，控制轉錄的起始。細調：衰減系統，通過核糖體對mRNA前導序列的結合，是否形成終止子結構對轉錄終止進行調控，控制轉錄是否進行下去。88一、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

trpRtrp8990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91二、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92三、trp操縱子的弱化機制衰減子（attenuator）/弱化子前導序列（leadersequence）931、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）。123~15094

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。952、前導序列：在trpmRNA5'端trpE基因的起始密碼前一個長162bp的mRNA片段。96973、弱化機制9899

前導肽轉錄終止結構100細菌通過弱化作用彌補阻遏作用的不足，因為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。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。它通過前導肽的翻譯來控制轉錄的進行，在細菌細胞內這兩種作用相輔相成，體現著生物體內周密的調控作用。1013.2.1Trp操縱子與負控阻遏系統（一）（1）培養基中Trp濃度較低（2）調控蛋白R不能被活化（3）未活化的調控蛋白R不能與操縱元件結合（4）基因E、D、C、B、A高表達102Trp操縱子與負控阻遏系統TrpHighTrp1033.2.2Trp操縱子與負控阻遏系統（二）（1）培養基中Trp濃度較高（2）調控蛋白R與Trp結合（3）Trp-R復合物與操縱子結合（4）基因E、D、C、B、A低表達1043.3

色氨酸操縱子總結1、通常是開放轉錄的，有效應物（色氨酸）作用時則阻遏關閉轉錄。2、負控阻遏型操縱子。3、色氨酸可以作為共阻遏物起作用，并通過終產物抑制自身的合成（負反饋調節）。4、細菌不少生物合成系統的操縱子都屬于這種類型，其調控可使細菌處在生存繁殖最經濟最節省的狀態。105

實驗觀察表明：當色氨酸達到一定濃度、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----衰減子有關。106細菌其他氨基酸合成系統的許多操縱子（如組氨酸、蘇氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸等操縱子）中也有類似的衰減子存在。阻遏蛋白的負調控作用只能使轉錄不起始，對于已經開始了的轉錄，則只能通過衰減作用使基因的表達停頓下來。

衰減作用在原核生物中普遍存在107

衰減機制在控制基因產物的量和產物種類的配比上起著快速靈敏的調節作用，使操縱基因表達更為精密、高效。

衰減作用的生物學意義1083.4轉錄終止的調控衰減子（Attenuator）位于轉錄起始部位的終止子，即可導致轉錄過早終止的一段核苷酸序列。G-C區poly(U)EDCBAPromoterOperatorLeaderAttenuatorRNA*********TrpTrp***109（一）衰減子（attenuator）1、位置：在trpE起始密碼子上游，前導序列的末端。2、特點：（1）是一個不依賴ρ因子的終止子區域（2）在富含GC的回文結構之后是8個連續的U殘基（3）在RNA轉錄物中可能形成發夾結構3、作用：衰減作用（阻礙結構基因轉錄）1101、在trpmRNA5’端trpE基因的起始密碼前一個長162bp的mRNA片段，序列分析發現，其中4個片段進行配對，形成不同的二級結構。

3與4---衰減子（終止子）發夾結構（二）前導序列（leadingsequence）

G-C區poly(U)4AB111（二）前導序列（leadingsequence）

1122、前導RNA序列編碼14個氨基酸的前導肽，第10和第11個密碼子編碼連續的色氨酸殘基*********TrpTrp***RNA113

S312POE4321LDNARNAAUGUGA2trpcodons1432前導肽14aa114（三）Attenuation(衰減作用）

使正在進行的操縱子轉錄在到達結構基因以前就中途停止的基因調控作用。

現象：培養基中Trp含量較低時---

轉錄不在衰減子上終止，結構基因表達。

Trp含量較高時---

轉錄在衰減子上終止，結構基因不表達。

衰減子怎樣對色氨酸含量做出應答反應呢？115（四）衰減作用機制轉錄到達衰減子時，終止子（衰減子）發夾結構能否形成（轉錄終止/通讀）是衰減作用的關鍵。4AB前導序列mRNA能形成兩種形式的發夾結構A、終止子發夾結構可形成（3與4）B、終止子發夾結構不能形成116前導肽合成時核糖體在轉錄物上所在位置控制著兩種發夾結構形式的轉換TrpTrpTrpTrp2334Trp含量較高時Trp含量較低時117（五）色氨酸操縱子衰減作用機制118色氨酸濃度高時1、tRNAtrp-色氨酸供給充足，核糖體迅速通過色氨酸密碼子到達2區2、3區和4區形成發夾結構（終止信號）3、衰減作用發生，轉錄終止，RNA聚合酶釋放，不能完成結構基因的轉錄119120色氨酸濃度低時1、tRNAtrp-色氨酸供給不足，核糖體遇到色氨酸密碼子時就停頓2、在4區轉錄未完成時，2區和3區就形成發夾結構3、3區和4區不能形成發夾結構（終止信號），導致轉錄通讀；RNA聚合酶繼續沿DNA移動，完成結構基因的轉錄121TrpTrp高時Trp低時mRNAOPtrpR調節區結構基因RNA聚合酶RNA聚合酶?色氨酸操縱子122UUUU……342423UUUU……核糖體前導肽前導mRNA15’trp密碼子

結構基因前導DNARNA聚合酶1.當色氨酸濃度低時Trp合成酶系相關結構基因被轉錄序列3、4不能形成衰減子結構123UUUU……UUUU……調節區結構基因trpROP前導序列衰減子區域UUUU……前導mRNA1234衰減子結構

第10、11密碼子為trp密碼子終止密碼子14aa前導肽編碼區:

包含序列1形成發夾結構能力強弱：序列1/2>序列2/3>序列3/4trp密碼子

UUUU……124UUUU……34UUUU3’34核糖體前導肽前導mRNA2.當色氨酸濃度高時轉錄衰減機制125’trp密碼子衰減子結構就是終止子可使轉錄前導DNAUUUU3’RNA聚合酶終止125（六）衰減作用和負控阻遏的關系1、負控阻遏系統和衰減作用同樣對色氨酸水平應答2、衰減作用使色氨酸操縱子結構基因的轉錄被抑制了10倍（細調）；3、色氨酸阻遏蛋白的阻遏作用使轉錄被抑制了70倍（粗調）；4、色氨酸水平對色氨酸操縱子結構基因的表達施加了700倍的調節效果。原核生物細致的精細調控機制增強原核生物對環境的適應性126（七）衰減作用的重要性（衰減子的生物學意義）1.活性阻遏蛋白和非活性阻遏蛋白的轉變可能較慢，而tRNA負載與否可能更為靈敏；2.aa主要用途是合成蛋白質，因而以tRNA負載情況為標準來進行控制可能更為恰當；3.大多數這樣的操縱子又同時需要阻遏蛋白。127

再論弱化子（attenuator)與弱化作用(attenuation)

弱化子是指Trp等操縱子前導序列的末端部分，具有減弱轉錄的功能。當Trp過剩時,前導肽的翻譯合成到達前導mRNA的終止密碼子處,這時,弱化子形成終止子發夾以阻遏下游相應氨基酸操縱子的轉錄，即,使正在進行的操縱子轉錄在到達結構基因以前就中途停止——弱化作用。

128什么是操縱子（operon)?試說明色氨酸操縱子（Trpoperon)在原核基因表達調控中的調控機制和重要作用。2003年武漢大學分子生物學試題129Contents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130第五節其他操縱子一、半乳糖操縱子(galactoseoperon)異構酶(galE)乳糖-磷酸尿嘧啶核苷轉移酶(galT)

半乳糖激酶(galk)。131gal操縱子的特點：①它有兩個啟動子，其mRNA可從兩個不同的起始點開始轉錄；②它有兩個O區，一個在P區上游，另一個在結構基因galE內部。132二、阿拉伯糖操縱子（arabinoseoperon)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。

133ara操縱子的調控有兩個特點：第一，araC表達受到AraC的自身調控。第二，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)。134135136137三、阻遏蛋白LexA的降解與細菌中的SOS應答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。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138Contents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139一、翻譯起始的調控

RBS（核糖體結合位點）：mRNA鏈上起始密碼子AUG上游的一段非翻譯區。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-4-10（9）-AUG第六節轉錄后水平上的調控140二、稀有密碼子對翻譯的影響dnaG(引物酶)RNA引物dnaG、rpoD和rpsU屬于大腸桿菌基因組上的同一個操縱子50個拷貝的dnaG蛋白、2800個拷貝的rpoD和40000個拷貝的rpsU141幾種蛋白質中異亮氨酸密碼子使用頻率比較蛋白質AUU/%AUC%AUA%結構蛋白37621σ亞基26740DnaG蛋白363232細胞內對應于稀有密碼子的tRNA較少，高頻率使用這些密碼子的基因翻譯過程容易受阻，影響了蛋白質合成的總量。142三、重疊基因對翻譯的影響143TrpB–谷氨酸-異亮氨酸-終止GAA--AUC--UGA

--UGG--AA

AUG--GAA

甲硫氨酸–

谷氨酸–trpAtrpE—蘇氨酸—苯丙氨酸—終止

ACU--UUC--UGA--UGG--CUAUG

AUG–GCU

甲硫氨酸--丙氨酸--trpD翻譯終止時核糖體立即處在起始環境中，這種重疊的密碼子保證了同一核糖體對兩個連續基因進行翻譯的機制。144

應急反應(strigentresponse):當細菌能源十分缺乏時，幾乎所有的生化反應都停止，為生存，細菌體內可立即產生一種應急應答反應，關閉許多基因表達。應急反應信號——空轉反應（idlingreaction）：核糖體A位點空載tRNA145

應急反應效應：產生大量魔斑（電泳時的特殊斑點）ppGpp—四磷酸鳥苷(魔斑ImagicspotI)是調控一些反應的效應物，有多種功能，但主要功能是：①抑制rRNA基因的啟動子；②抑制多數或大多數基因轉錄的延伸。pppGpp—五磷酸鳥苷(魔斑IImagicspotII)魔斑可與啟動子或RNA聚合酶結合，調控轉錄。146

6.4魔斑核苷酸對翻譯的影響

把培養基中營養缺乏，蛋白質合成停止后，RNA合成也趨于停止這種現象稱為嚴緊控制（rel+）；反之則稱為松散控制（rel-）。在氨基酸缺乏時，rel+菌株能合成鳥苷四磷酸（ppGpp）和鳥苷五磷酸（pppGpp），而rel-菌則不能。

GTP+ATPpppGpp+AMP→ppGpp

ppGpp的主要作用可能是影響RNA聚合酶與啟動子結合的專一性，從而成為細胞內嚴緊控制的關鍵。當細胞缺乏氨基酸時產生ppGpp，可在很大范圍內做出應急反應，如抑制核糖體和其他大分子的合成，活化某些氨基酸操縱子的轉錄表達，抑制與氨基酸運轉無關的轉運系統，活化蛋白水解酶等。rel基因編碼嚴謹因子，催化ppGpp的合成。嚴謹因子147148二、mRNA的穩定性是決定翻譯產物量的重要因素原核生物mRNA分子某些片段，例如發夾有RNase抗性。細胞內有結合RNA、使之免受RNase降解的保護蛋白。近年發現，內源或外源的小分子RNA可特異互補結合細胞RNA，使其失去功能。與減少表達量一樣，降低mRNA穩定性也是基因表達調控方式149三、翻譯產物可對翻譯過程產生反饋

調節效應核糖體蛋白控制多順反子mRNA的翻譯翻譯終止因子RF-2調節自身的翻譯150核糖體蛋白與rRNA合成是互相協調的原核生物的16SrRNA與21種核糖體蛋白(ribosomalproteins)，簡稱r-蛋白，組成核糖體小亞基；5S和23SrRNA與31種r-蛋白組成大亞基。大、小亞基在翻譯起始組合為70S核糖體。蛋白質合成是生存的最基本需要，細胞必然要嚴格控制rRNA和r-蛋白的比例。151核糖體蛋白基因與RNApol亞基基因的多順反子操縱子基因簇表達產物rif(rpoBC)rpL-K-A-J-L-rpoB-rpoCL-11-1-10-12-RNApol-β-β’rpoArpsM-K-D-rpoA-rpL-QS13-11-4-RNApol-O-L-17spcrpL-N-X-E-rpsN-H-rpL-F-R-rpsE-rpL-D-OL14-24-5-S14-8-L6-18-S-5-L-30-15

r-蛋白基因在各個操縱子上轉錄為多順反子152這類操縱子有轉錄-翻譯偶聯調控現象，稱為自我調節（autogenouscontrol）。153四、小分子反義RNA參與調節蛋白質合成（一）小分子RNA參與基因表達產物類型轉換的調控（二）小分子RNA參與維持極低水平的基因表達154

大腸桿菌滲透壓調節中micRNA的調節作用

155小分子RNA在翻譯水平的調控作用156第四節

Lambda噬菌體的基因表達調控RegulationofgeneexpressioninLambdaphage

157一、Lambda噬菌體調控區段的表達產物與生活周期有關λ噬菌體的生活史溶菌生長途徑(lysispathway)溶原菌生長途徑(lysogenicpathway)158Lambda噬菌體的溶原和裂解生活周期159

Lambda噬菌體的基因結構和調控區域160Bacteriophagelambdagenome.png161二、cI

基因表達的阻遏蛋白封閉大部分基因使λ進入溶原周期λ的轉錄按先后分即刻早期(immediateearly)，晚早期(delayearly)和晚期(late)，三期的表達依次連續相互制約。前兩期轉錄是雙向的。晚期轉錄單向，在環狀基因組從R沿環到A-J結構區，和向左到達重組區的晚早期轉錄匯合，完成一個轉錄周期。表達產物供溶菌周期裝配感染型噬菌體。162調控的主要關鍵在阻遏蛋白基因cI

cI兩側啟動子受宿主RNApol催化向左轉錄出12SRNA，翻譯為抗終止蛋白N；向右轉錄出7SRNA，翻譯為Cro蛋白。Cro蛋白有封閉阻遏蛋白基因的作用。N蛋白在nut位點幫助RNApol越過左、右終止點tR和tL，進行晚早轉錄，并繼續完成晚期轉錄。晚期轉錄之前，還受另一抗終止蛋白Q的活化。——這些都是完成溶菌作用的必須條件163首先是cⅡ的表達，CⅡ開啟cI。cI

表達的阻遏蛋白結合左、右操縱序列OL和OR。E.coli的RNApol結合PR后不能向右轉錄，無法完成晚早和晚期表達，沒有結構蛋白的生成。PL的啟動活性比PR強，可使重組區表達，產物分別有附加（att）、整合（int）和切割（xis）作用。完成整合后，CIII

維持cII

活性，CⅡ開啟cI。cI單獨表達，產生的阻遏蛋白封閉啟動子，進入溶原狀態。溶原狀態的建立：164Lambda溶菌和溶原建立的調控溶菌溶原165Lambdaimmediateearlyanddelayedearlygenesareneededforbothlysogenyandthelyticcycle166Lambdaimmediateearlyanddelayedearlygenesareneededforbothlysogenyandthelyticcycle167CI操縱子

cI基因編碼的CI阻遏蛋白，分別作用于早期左向操縱子和早期右向操縱子中的操作子OL和OR，阻止這兩個操縱子轉錄.1681691、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胞中持續表達

(C)在生物個體全生命過程的幾乎所有細胞中表達

(D)在生物個體的某一生長階段持續表達

(E)在一個物種的幾乎所有個體中持續表達D1702、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

(E)數個啟動序列和數個編碼基因B1713、下列情況不屬于基因表達階段特異性的是，一個基因在

(A)分化的骨骼肌細胞表達，在未分化的心肌細胞不表達

(B)胚胎發育過程不表達，出生后表達

(C)胚胎發育過程表達，在出生后不表達

(D)分化的骨骼肌細胞表達，在未分化的骨骼肌細胞不表達

(E)分化的骨骼肌細胞不表達，在未分化的骨骼肌細胞表達A1724、乳糖操縱子（元）的直接誘導劑是

(A)葡萄糖

(B)乳糖

(C)β一半乳糖苷酶

(D)透酶

(E)異構乳糖E1735、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)Z基因

(E)I基因B1746、cAMP與CAP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

(E)有葡萄糖及CAMP較高時C1757、Lac阻遏蛋白由

(A)Z基因編碼

(B)Y基因編碼

(C)A基因編碼

(D)I基因編碼

(E)以上都不是D1768、色氨酸操縱子（元）調節過程涉及

(A)轉錄水平調節

(B)轉錄延長調節

(C)轉錄