第五章原核基因體現調控模式蛋白質合成的類型：永久型：是指蛋白質的合成不受環境變化或代謝狀態的影響，一直維持在恒定水平。適應型或調整型：是指蛋白質的合成速度明顯地受環境的影響。2025/6/292第一節原核生物基因體現調控的概述第二節乳糖操縱子與負控誘導系統第三節色氨酸操縱子與負控阻遏系統第四節其他操縱子第五節轉錄后的調控2025/6/293第一節原核生物基因體現調控的概述基因體現（geneexpression)：是指DNA分子所承載的遺傳信息，通過密碼子—反密碼子系統，轉變成蛋白質或功能RNA分子的過程，稱為基因體現?；蝮w現調控（generegulationorgenecontrol):是指對基因體現過程的調整。2025/6/294基因體現調控重要表目前如下幾種方面：1、轉錄水平上的調控（transcriptionalregulation);2、mRNA加工成熟水平上的調控（differentialprocessingofRNAtranscription);3、翻譯水平上的調控（differentialtranslationofmRNA)2025/6/295基因調控的指揮系統：原核生物營養水平（nutritionalstatus)環境因素(environmentalfactors)真核生物激素水平（hormonelevel)發育階段（developmentalstage)2025/6/296一、原核基因調控機制的類型與特點根據調控機制的不一樣：正轉錄調控（positivetranscriptionregulation）：調整基因的產物是激活蛋白（activator），起著提高構造基因轉錄水平的作用。負轉錄調控（negativetranscriptionregulation）：調整基因的產物是阻遏蛋白（reppressor），起著制止構造基因轉錄的作用。2025/6/297根據作用特性：誘導（induction）：調整因子與效應物結合后，啟動基因的轉錄活性稱為誘導（induction）；阻遏（repression）：調整因子與效應物結合后，關閉基因的轉錄活性稱為阻遏（repression）。2025/6/2982025/6/2992025/6/2910調節基因產物

調節基因產物與效應物結合

基因表達基因不表達阻遏蛋白負控誘導系統

負控阻遏系統

激活蛋白正控誘導系統

正控阻遏系統

2025/6/29111、特殊代謝物對基因活性的調整可誘導調整：是指某些基因在某些代謝物的誘導下使其活化，由本來的關閉狀態轉變為開放狀態。如：大腸桿菌的乳糖操縱子可阻遏調整：是指某些基因由于某些代謝物的積累，而使其由本來的開放狀態轉變為關閉狀態。如：色氨酸操縱子二、原核基因調整的重要特點2025/6/2912無誘導物時，基因關閉誘導物開啟基因可誘導的操縱子：是某些編碼糖和氨基酸分解代謝蛋白的基因；2025/6/2913可阻遏的操縱子：是某些合成多種細胞代謝過程中所必須的小分子物質。2025/6/29142、弱化子對基因活性的調整弱化子(attenuator)：是指起轉錄終止信號的一段核苷酸序列。trp操縱子mRNA前導序列結構2025/6/2915細胞中某一氨基酸的濃度發生改變氨酰–tRNA的濃度變化核糖體在轉錄產物RNA上的結合位置不同，使得RNA形成特定的二級結構由RNA的二級結構判斷基因能否繼續轉錄調整機理：2025/6/2916色氨酸含量和核糖體位置對弱化子構造的影響當色氨酸充足時，前導序列的合成正常進行，核糖體占據1區和部分2區，2、3不能有效配對；3、4配對形成終止子的發卡構造，轉錄終止。Trp+轉錄終止2025/6/2917當缺乏色氨酸時，翻譯在雙色氨酸密碼子處中斷；核糖體僅占據1區，2、3區配對；3、4區不能形成發卡構造，轉錄繼續。Trp-轉錄繼續2025/6/2918前導區的轉錄無色氨酸時，轉錄可持續進行有色氨酸存在時，轉錄在弱化子區域終止2025/6/29193、降解物對基因活性的調整葡萄糖效應或降解物克制作用：細菌培養基中在葡萄糖存在的狀況下，雖然加入乳糖、半乳糖等誘導物，與其對應的操縱子也不會啟動，這種現象稱為葡萄糖效應或降解物克制作用。葡萄糖抑制腺苷酸環化酶的活性導致環腺苷酸的合成減少環腺苷酸代謝物激活蛋白復合物復合物結合在啟動子區域是乳糖、半乳糖等糖類mRNA轉錄所必需的。2025/6/29204、細菌的應急反應是指細菌在供應物全面匱乏的狀況下，難以找到代用物，所作出的一種反應，協助細菌渡過難關。應急反應的機理：空載的tRNA激活焦磷酸轉移酶鳥苷四磷酸ppGpp鳥苷五磷酸pppGpp大量合成關閉一些基因打開一些基因2025/6/2921

1、原核基因調控機制的類型與特點

正轉錄調控負轉錄調控誘導阻遏2、原核基因調整的重要特點a、特殊代謝物對基因體現的調整b、弱化子對基因活性的調整c、降解物對基因活性的調整d、細菌的應急反應小結2025/6/2922β-半乳糖苷酶透過酶轉乙酰酶阻遏物第二節乳糖操縱子與負控誘導系統2025/6/2923阻遏蛋白基因（I）屬于構成型合成的。因此，lac操縱子一般是處在關閉狀態的。lac操縱子的結構阻遏蛋白基因（I）啟動區（P）操縱區（O）CAP-cAMP結合部位三個結構基因ZYA2025/6/2924一、酶的誘導

——lac體系受調控的證據E.coli

在不含乳糖的培養基生長時，β-半乳糖苷酶含量極低；當加入乳糖或半乳糖后，則迅速升高。兩種含硫的乳糖類似物：異丙基巰基半乳糖苷（IPTG）巰甲基半乳糖苷（TMG）2025/6/2925誘導物（inducer）：假如某物質能促使細胞產生一特定的酶，該物質就叫做誘導物；安慰誘導物（gratuitousinducers）：可誘導酶的合成，但不被所誘導的酶降解的物質稱為安慰誘導物。IPTG（異丙基巰基半乳糖苷）是lac

基因的安慰誘導物。輔阻遏物（corepressor）假如某物質能制止細胞產生一特定的酶，該物質就叫做輔阻遏物。2025/6/2926二、乳糖操縱子的模型及其影響因子操縱子模型：一種或幾種構造基因與一種調整基因、一種操縱區構成一種操縱單元。這個單元稱為操縱子（operon）。β-半乳糖苷酶透過酶轉乙酰酶阻遏物2025/6/2927操縱區位于啟動子與構造基因之間，與啟動子部分重疊，阻遏物結合于操作區時，即制止RNA聚合酶起始轉錄。2025/6/2928乳糖操縱子控制模型的重要內容：②操縱區位于啟動子與構造基因之間，不能單獨起始構造基因的體現；③操縱區是一小段DNA序列，是阻遏物結合位點；④操縱區與啟動子部分重疊，當阻遏物與操縱區結合時，即制止RNA聚合酶起始轉錄；⑤誘導物通過與阻遏物結合，變化其三維構象，使之不能與操縱區結合，從而激發mRNA的合成。①一條多順反子mRNA編碼Z、Y、A基因；2025/6/29292025/6/2930調整基因阻遏蛋白產生結合操縱區相鄰啟動區乳糖操縱子中調整基因的作用過程：乳糖操縱子中誘導物的作用機理：誘導物作用的對象是阻遏蛋白。阻礙RNA聚合酶與啟動子區的正常結合結構基因轉錄成mRNA并合成蛋白質抑制2025/6/2931（一）、lac操縱子的本底水平體現誘導物的形成需要有β-半乳糖苷酶的存在；誘導物作用需要跨膜，跨膜需要透過酶的存在；透過酶的產生又需要誘導物的存在；β-半乳糖苷酶的產生又需要誘導物的存在；在非誘導的狀態下仍有少許的lacmRNA合成，這種合成被稱為本底水平的構成型合成（backgroundlevelconstitutivesynthesis)。2025/6/2932（二）、大腸桿菌對乳糖的反應乳糖本底水平透過酶進入細菌細胞結合阻遏蛋白阻遏蛋白失活，β-半乳糖苷酶和透過酶表達細胞吸收大量乳糖去向葡萄糖半乳糖異構乳糖結合阻遏蛋白當阻遏蛋白的濃度超過異構乳糖的濃度，細胞重新建立阻遏狀態，導致lacmRNA的合成被克制。本底水平β-半乳糖苷酶葡萄糖-1,6-半乳糖誘導物2025/6/2933（三）、阻遏物lac

I

基因產物及功能Lac操縱子阻遏物mRNA是由弱啟動子控制下構成型合成的，該阻遏蛋白具有4個相似的亞基，每個亞基均含347個氨基酸殘基。lacI基由于構成型，通過啟動子的上升突變體可獲得較多的阻遏蛋白；β-半乳糖苷酶透過酶轉乙酰酶阻遏物2025/6/2934調整基因lacI的突變也可導致乳糖操縱子基因的構成型體現。2025/6/2935操縱區lacO的突變（lacOc）可導致乳糖操縱子基因的構成型體現。2025/6/2936（四）、葡萄糖對lac操縱子的影響在葡萄糖存在時，E.coli優先運用葡萄糖；此時雖然培養基中具有乳糖，乳糖操縱子蛋白仍然含量很低。這是通過制止乳糖操縱子體現來完畢的，這種效應稱為降解物克制（cataboliterepression）。2025/6/2937葡萄糖葡萄糖-6-磷酸甘油某些代謝產物抑制活性腺苷酸環化酶ATPcAMPCrp基因編碼代謝物激活蛋白CAPcAMP-CAP葡萄糖對其他糖的代謝克制，是通過對cAMP的克制完畢的。（五）、cAMP與代謝物激活蛋白2025/6/2938代謝物活化蛋白：CAP（Catabolitegeneactivatorprotein；cAMPreceptorprotein）是某些啟動子起始轉錄必需的正調控因子。

CAP只有與cAMP結合后才能與其結合區域結合。2025/6/2939CAP的結合部位CAP結合部位不太固定，方向也可以不一樣。半乳糖操縱子乳糖操縱子阿拉伯糖操縱子2025/6/2940三、lacoperon的其他問題lacoperon的功能是在正負兩個調控體系的協調作用下實現的。阻遏蛋白封閉轉錄時，CAP不發揮作用（葡萄糖和乳糖都不存在）；如沒有CAP加強轉錄，雖然阻遏蛋白從operator上解聚仍無轉錄活性（葡萄糖和乳糖同步存在的狀況下）；CAP構成型合成，因此cAMP－CAP復合物取決于cAMP含量;2025/6/2941腺苷酸環化酶位于細胞膜上，其活性與葡萄糖運送的酶有關，因此cAMP－CAP調控乳糖、半乳糖、阿拉伯糖等糖類代謝有關的酶;降解物敏感型操縱元：只要有葡萄糖存在，這些操縱元就不體現。2025/6/29422.A基因及其生理功能編碼β-半乳糖苷乙?；D移酶，使半乳糖苷乙?；Ｔ撁覆粎⑴c乳糖代謝！生理意義：在細胞中有許多能被半乳糖苷酶降解的半乳糖苷類物質，其分解產物不能深入代謝，積累，克制細胞生長。半乳糖苷乙?；?，即無毒。因此lacA雖不在乳糖降解中起作用，但可克制有害物質的積累。2025/6/29433.lac基因產物數量，1：0.5：0.2不一樣酶的數量差異，是由于在翻譯水平上的調整。方式有二:核糖體脫離:多順反子的差異性翻譯;內切酶作用:在lacmRNA分子內部，a基因比z基因更易受內切酶作用.2025/6/29442025/6/2945生物細胞中的氨基酸合成，也受操縱元的調整。細胞需要某種氨基酸時，其基因即體現，不需要時基因關閉，到達經濟的原則。第三節色氨酸操縱子與負控阻遏系統2025/6/2946trp操縱子的構成鄰氨基苯甲酸合成酶吲哚甘油磷酸合成酶色氨酸合成酶鄰氨基苯甲酸磷酸核糖轉移酶2025/6/2947trpR,阻遏蛋白P，-40~+18O,-21~+1L,+1~+162構造基因一、trp操縱子的構造大腸肝菌中的trp操縱子2025/6/2948trp操縱子的構造操縱區啟動子區（P）操縱子（O）弱化子區（a）構造基因E:鄰氨基苯甲酸合成酶（與G基由于融合基因）C:吲哚甘油磷酸合成酶B:色氨酸合成酶α亞基

D:鄰氨基苯甲酸磷酸核糖轉移酶A:色氨酸合成酶β亞基

前導區(L)2025/6/2949二、Trpoperon的阻遏系統1、TrpR四聚體2025/6/2950阻遏蛋白＋trp→

有活性的阻遏物＋trpO→不轉錄2025/6/29512、阻遏蛋白的結合位點trpO-21~+1，反向反復序列trpP-40~+18活性阻遏物與trpO的結合，RNApol與啟動子的結合發生競爭。2025/6/29523、阻遏系統主管轉錄與否啟動，在缺乏Trp時，mRNA起始合成，但不能自動延伸，一般在trpE之前終止轉錄。

粗調開關2025/6/2953色氨酸操縱子:由與色氨酸合成有關的基因及其調控序列構成。當缺乏色氨酸時，trp操縱子基因體現；當外源色氨酸含量較高時，操縱子中的基因受到阻遏。trp操縱子的阻遏系統色氨酸調整（trpR）基因突變會引起trpmRNA的構成型合成。只有在色氨酸存在的狀況下，阻遏蛋白與之結合形成有活性的阻遏物，與操縱區結合關閉trpmRNA的轉錄。2025/6/2954三、弱化子對基因體現的調整

阻遏發生時，轉錄的起始頻率下降到1/70，但trp酶系統活性卻下降到1/600。弱化作用（attenuation）：是指控制某些細菌操縱子轉錄終止的調整。弱化子（attenuator）：是指弱化所發生的終止子序列，并且這種終止是被調整的，這段序列就稱為弱化子。1、弱化子（attenuator）2025/6/29552、前導區：在trpmRNA5’端trpE基因的起始密碼子前有一種長162bp的mRNA片段，被稱為前導區。前導肽：由前導序列指導合成的具有14個氨基酸殘基的肽稱為前導肽。前導序列構造特點：第10和11位兩個密碼子為色氨酸密碼子。2025/6/2956

弱化子，衰減子，α

前導RNA，140bp2025/6/2957弱化子，衰減子，α2025/6/2958

前導肽14aa2025/6/29593、trpmRNA前導序列構造2025/6/2960trp缺乏tRNAtrp也少核糖體通過兩個trp密碼子的速度慢，占據前導序列的trp1區2區與3區配對，不能形成終止子構造構造基因轉錄4、轉錄的弱化作用2025/6/2961trp濃度高前導肽中trp合成速度快前導肽一直合成至其末端核糖體占據1區和2區3區與4區配對，形成終止子構造，使轉錄終止2025/6/2962弱化子對轉錄調控的關鍵空間構造，10thand11thcodonsencodetrpresidues(rareAA)時間，核糖體停止在2個Trp密碼子上時，產生延遲，此時4區未轉錄出來2025/6/2963RPOleadingseq.EDCBAtrp+為何需要阻遏體系？當大量Trp存在時，阻遏系統起作用。阻遏物與之結合，制止先導mRNA合成。

經濟Negative—repressibleoperon可以被最終合成產物所阻遏四、阻遏作用與弱化作用的協調2025/6/2964RPOleadingseq.EDCBA少量trp+局限性以結合O位點為何需要弱化系統？當trp濃度低時，阻遏物從有活性變為無活性，速度極慢，不能很快引起trp合成。因此需要一種能迅速作出反應的系統，以保持培養基中合適的Trp水平。2025/6/2965大腸肝菌中共有5個基因參與色氨酸生物合成，構成色氨酸操縱子。其中trpG-D，trpC-F為融合基因，翻譯出的多肽具有雙重功能。有兩個啟動子，一種位于操縱子5’，一種位于trpG-D編碼區。2025/6/2966大腸肝菌色氨酸操縱子受到由色氨酸激活的負阻遏蛋白的調整作用。一旦轉錄越過前導區，又會受弱化子的調控，感受無負載的tRNATrp的變化。使轉錄機器在前導區附近停止或繼續構造基因的轉錄。2025/6/2967構造基因galE:半乳糖異構酶galT:半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷轉移酶galK:半乳糖激酶作用：半乳糖葡萄糖–1–磷酸第四節其他操縱子一、半乳糖（gal）操縱子2025/6/2968無外源葡萄糖時，細菌也可運用半乳糖。gal操縱子的調控與乳糖操縱子基本相似，但稍有差異：雙啟動子;雙操縱區,一種在P區上游–67～–73，另一種在構造基因galE內部調整基因距離構造基因很遠；在有外源葡萄糖時，仍然可以被低水平誘導。2025/6/2969S2S1轉錄方向-101、cAMP–CAP對gal啟動子的作用

S1起始依賴于

cAMP-CAP，只有當葡萄糖不存在時才可轉錄，需要有半乳糖、CAP和較高濃度的cAMP;S2起始不依賴于

cAMP-CAP，只有當葡萄糖存在時才可轉錄。2025/6/29702、雙啟動子的生理功能半乳糖作為惟一碳源供細胞生長半乳糖差向異構酶的作用UDP-葡萄糖UDP-半乳糖不依賴于cAMP-CAP啟動子S2依賴于cAMP-CAP啟動子S1是大腸桿菌細胞壁合成的前體2025/6/2971二、ara操縱子阿拉伯糖降解araB:核酮糖激酶araA：L-阿拉伯糖異構酶araD：L-核酮糖-5-磷酸-4-差向異構酶Operator2Operator1regulategenearaBADCRP結合位點2025/6/2972araC與araBAD相鄰，但轉錄方向相反。araC與araBAD的構造C蛋白有三個結合位點：O1,O2,IC基由于自我調整基因：缺乏C蛋白時，araC體現；當C蛋白含量升高時，克制araC的體現。具有正、負調整作用。2025/6/2973（1）當葡萄糖水平較高、阿拉伯糖水平較低時，C蛋白與操縱區O2及araI誘導因子結合區上半區結合，形成DNA回轉構造，araBAD基因不體現；（2）當體系中有阿拉伯糖、無葡萄糖時，AraC與阿拉伯糖相結合，變化構象成為激活蛋白，AraC同源體分別與araO1和araI區結合。RNA聚合酶在AraC蛋白和CRP-cAMP的作用下，起始BAD基因體現。2025/6/2974第五節轉錄水平上的其他調控方式一、σ因子的調整作用不一樣σ因子的選擇；σ因子自身活性的調整；二、組蛋白類似蛋白的調整作用在細菌細胞中存在的用來維持DNA高級構造的非特異性DNA結合蛋白，稱為組蛋白類似蛋白。2025/6/2975三、轉錄調控因子的作用轉錄調控因子：指與基因的啟動子區結合，對基因的轉錄起激活或克制作用的DNA結合蛋白稱為轉錄調控因子。四、抗終止因子的調整作用抗終止因子是可以在特定位點制止轉錄終止的一類蛋白質。這種調整作用重要見于噬菌體和少數細菌中。參與大腸肝菌抗終止作用的蛋白是Nus蛋白。2025/6/2976第七節轉錄后調控一、翻譯起始的調控（1）起始密碼子AUG，GUG，UUG，AUU，不常見起始密碼子翻譯起始效率較低；（2）SD序列的構造及其與起始密碼子AUG之間的距離，SD序列與AUG之間的距離一般為4～10個核苷酸為佳，9個核苷酸最佳。2025/6/2977（3）mRNA的二級構造30S亞基與mRNA結合，規定mRNA5，端有一定的空間構造，核苷酸序列的變化會變化mRNA的二級構造，影響核糖體與mRNA的結合，從而導致蛋白質合成效率的差異。2025/6/2978二、mRNA穩定性對轉錄水平的影響細胞內無用的mRNA均被核酸酶水解。大腸肝菌CsrAB調整系統。CsrABCsrA為RNA結合蛋白CsrB為非編碼的RNA分子結合mRNA分子降解速度加快結合導致2025/6/2979三、調整蛋白的調控作用調整蛋白的體現自身也受到調控。四、反義RNA的調整作用細菌細胞中某些非編碼的小RNA，與m