第六讲原核基因表达调控

第六讲原核基因表达调控 绪论一、原核基因表达调控总论二、乳糖操纵子的调控模式三、色氨酸操纵子的调控模式四、其他操纵子的调控机制五、原核生物的转录后调控

绪论：基因表达调控的现象和概念 • （一）、基因表达调控是生命的必需 • 　　基因表达(gene expression)是指储存遗传信息的基因经过一系列步骤表现出其生物功能的整个过程。典型的基因表达是基因经过转录、翻译，产生有生物活性的蛋白质的过程。rRNA或tRNA的基因经转录和转录后加工产生成熟的rRNA或tRNA,也是rRNA或tRNA的基因表达，因为rRNA或tRNA就具有在蛋白质翻译方面的功能。

1、基因表达的组织特异性：　　 • 　　基因组(genome)是指含有一个生物体生存、发育、活动和繁殖所需要的全部遗传信息的整套核酸。 • 　　生物基因组的遗传信息并不是同时全部都表达出来的，即使极简单的生物(如最简单的病毒)，其基因组所含的全部基因也不是以同样的强度同时表达的。 • 　　大肠杆菌基因组含有约4000个基因，一般情况下只有5－10%在高水平转录状态，其它基因有的处于较低水平的表达，有的就暂时不表达。

　哺乳类基因组更复杂，人的基因组约含有10万个基因，但在一个组织细胞中通常只有一部分基因表达，多数基因处在沉静状态，典型的哺乳类细胞中开放转录的基因约在1万个上下，即使蛋白质合成量比较多、基因开放比例较高的肝细胞，一般也只有不超过20%的基因处于表达状态。　哺乳类基因组更复杂，人的基因组约含有10万个基因，但在一个组织细胞中通常只有一部分基因表达，多数基因处在沉静状态，典型的哺乳类细胞中开放转录的基因约在1万个上下，即使蛋白质合成量比较多、基因开放比例较高的肝细胞，一般也只有不超过20%的基因处于表达状态。 • 　　不同组织细胞中不仅表达的基因数量不相同，而且基因表达的强度和种类也各不相同，这就是基因表达的组织特异性

2、基因表达的阶段特异性 • 　　细胞分化发育的不同时期，基因表达的情况是不相同的，这就是基因表达的阶段特异性。 • 　　一个受精卵含有发育成一个成熟个体的全部遗传信息，在个体发育分化的各个阶段，各种基因极为有序地表达，一般在胚胎时期基因开放的数量最多，随着分化发展，细胞中某些基因关闭(turn off)、某些基因转向开放(turn on)，胚胎发育不同阶段、不同部位的细胞中开放的基因及其开放的程度不一样，合成蛋白质的种类和数量都不相同，显示出基因表达调控在空间和时间上极高的有序性，从而逐步生成形态与功能各不相同、极为协调、巧妙有序的组织脏器。即使是同一个细胞，处在不同的细胞周期状态，其基因的表达和蛋白质合成的情况也不尽相同。　

例：昆虫变态过程的各种基因表达 　　　植物开花有关的基因表达　　　人类青春发育有关的基因表达 • 从上所述，不难看出：生物的基因表达不是杂乱无章的，而是受着严密、精确调控的，尽我们现在对调控机理的奥妙所知还不多，但已经可以认识到，不仅生命的遗传信息是生物生存所必需的，而且遗传信息的表达调控也是生命本质所在。

（二）基因表达适应环境的变化 • 　　①组成性表达：指不大受环境变动而变化的一类基因表达。其中某些基因表达产物是细胞或生物体整个生命过程中都持续需要而必不可少的，这类基因可称为看家基因，这些基因中不少是在生物个体其它组织细胞、甚至在同一物种的细胞中都是持续表达的，可以看成是细胞基本的基因表达。组成性基因表达也不是一成不变的，其表达强弱也是受一定机制调控的。 • 　　组成性表达产物为组成蛋白，其数量不受外界环境影响。如大肠肝菌中控制葡萄糖降解的酶类。　返回首页

　　②适应性表达：指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导，这类基因被称为可诱导的基因；相反，随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏，相应的基因被称为可阻遏的基因。　　②适应性表达：指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导，这类基因被称为可诱导的基因；相反，随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏，相应的基因被称为可阻遏的基因。 • 　　适应性表达产物为调节蛋白。它们决定着何时诱导酶或阻遏酶可以合成。分正调节蛋白（激活蛋白）与负调节蛋白（阻遏蛋白）。

一、原核基因表达调控总论 1、细菌对营养的适应：　　　原核生物和单细胞真核生物直接暴露在变幻莫测的环境中，食物供应毫无保障，只有能根据环境条件的改变合成各种不同的蛋白质，使代谢过程适应环境的变化，才能维持自身的生存和繁衍。自然选择倾向于保留高效率的生命过程。在一个每30min增殖一倍的109细菌群体中，若有一个细菌变成了29.5min增殖一倍，大约经过80天的连续生长后，这个群体中的99.9%都将具有29.5min增殖一倍的生长速度。

一个大肠杆菌细胞中约有2500-3000个基因。估计正常情况下，可带有107个蛋白质，平均每个基因产生3000多个蛋白质分子。但大肠杆菌中一般带有15,000-30,000个核糖体，有50余种核糖体结合蛋白，数量也很惊人。此外，负责糖酵解系统的蛋白质数量也很大。而象半乳糖苷酶等诱导酶，其含量可少至每细胞仅1-5个分子。一个大肠杆菌细胞中约有2500-3000个基因。估计正常情况下，可带有107个蛋白质，平均每个基因产生3000多个蛋白质分子。但大肠杆菌中一般带有15,000-30,000个核糖体，有50余种核糖体结合蛋白，数量也很惊人。此外，负责糖酵解系统的蛋白质数量也很大。而象半乳糖苷酶等诱导酶，其含量可少至每细胞仅1-5个分子。组成型合成蛋白质适应型或调节型蛋白质

2、基因表达调控的途径： • 一个体系在需要时被打开，不需要时被关闭。这种"开-关"（on-off）活性是通过调节转录来建立的，也就是说mRNA的合成是可以被调节的。当我们说一个系统处于"off"状态时，也有本底水平的基因表达，常常是每世代每个细胞只合成1或2个mRNA分子。所谓"关"实际的意思是基因表达量特别低，很难甚至无法检测。　　科学家把这个从DNA到蛋白质的过程称为基因表达(gene expression)，对这个过程的调节就称为基因表达调控(gene regulation或gene control)。要了解动、植物生长发育的规律、形态结构特征和生物学功能，就必须弄清楚基因表达调控的时间和空间概念，掌握基因表达调控的秘密，

基因表达调控（控制蛋白质合成）主要表现在以下两个途径：（1） 转录水平上的调控：控制细胞从其DNA模板上转录生成特异性mRNA的速度 • （2）转录后的调控：控制从mRNA翻译成蛋白质的速度 • ② mRNA加工成熟水平上的调控 • ③ 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。在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最主要手段，营养和环境因素的影响力大为下降。返回首页

3、原核基因调控机制的类型与特点 • 正调控系统 • 调节基因的产物是激活蛋白 • 根据激活蛋白的作用性质，又可分为可诱导的正调控和可阻遏的正调控。

负调控系统 • 调节基因的产物是阻遏蛋白。 • 根据其作用特征又可分为可诱导的负调控和可阻遏的负调控。

二、乳糖操纵子(lac)的调控模式 • (一)操纵子的提出 • 大肠杆菌可以利用葡萄糖、乳糖、麦芽糖、阿拉伯糖等作为碳源而生长繁殖。当培养基中有葡萄糖和乳糖时，细菌优先使用葡萄糖，当葡萄糖耗尽，细菌停止生长，经过短时间的适应，就能利用乳糖，细菌继续呈指数式繁殖增长(图)。大肠杆菌二阶段生长现象

在环境中没有乳糖或其他β-半乳糖苷时，大肠杆菌合成β-半乳糖苷酶量极少，加入乳糖2－3分钟后，细菌大量合成β-半乳糖苷酶，其量可提高千倍以上，在以乳糖作为唯一碳源时，菌体内的β-半乳糖苷酶量可占到细菌总蛋白量的3%。在上述二阶段生长细菌利用乳糖再次繁殖前，也能测出细菌中β-半乳糖苷酶活性显著增高的过程。这种典型的诱导现象，是研究基因表达调控的极好模型。在环境中没有乳糖或其他β-半乳糖苷时，大肠杆菌合成β-半乳糖苷酶量极少，加入乳糖2－3分钟后，细菌大量合成β-半乳糖苷酶，其量可提高千倍以上，在以乳糖作为唯一碳源时，菌体内的β-半乳糖苷酶量可占到细菌总蛋白量的3%。在上述二阶段生长细菌利用乳糖再次繁殖前，也能测出细菌中β-半乳糖苷酶活性显著增高的过程。这种典型的诱导现象，是研究基因表达调控的极好模型。 • 大肠杆菌利用乳糖至少需要两个酶： • 促使乳糖进入细菌的乳糖透过酶 • 催化乳糖分解第一步的β－半乳糖苷酶 (图) β-半乳糖苷酶的作用

操纵子（operon）学说 • Jacob和Monod根据对lac Z,Y,A基因突变体的研究,于1961年提出了操纵子学说。 • 其要点是:一个或几个结构基因与一个调节基因和一个操纵位点组成一个转录单元。这个单元就称其为操纵子。调节基因产生的阻遏蛋白与操纵位点结合从而阻碍了结构基因转录成为mRNA;而诱导物又可以与阻遏蛋白相结合从而阻止阻遏蛋白与操作子的结合。 • 乳糖操纵元模型提出以后,人们相继了解了许多其他的操纵元,这些操纵元都各有其特点。例如半乳糖操纵元具有双启动子结构;阿拉伯糖操纵元的调节蛋白质具有正控制和负控制的双重功能;色氨酸操纵元是一个可阻遏的操纵元。

图中z、a和b型是大肠杆菌编码利用乳糖所需酶类的基因，p是转录z、a、b所需要的启动子，调控基因i编码合成调控蛋白R，R能与o结合而阻碍从p开始的基因转录，所以o就是调节基因开放的操纵序列，乳糖能改变R结构使其不能与o结合，因而乳糖浓度增高时基因就开放，转录合成所编码的酶类，这样大肠杆菌就能适应外界乳糖供应的变化而改变利用乳糖的状况，这个模型是科学实验的基础上第一次开始认识基因表达调控的分子机理。图中z、a和b型是大肠杆菌编码利用乳糖所需酶类的基因，p是转录z、a、b所需要的启动子，调控基因i编码合成调控蛋白R，R能与o结合而阻碍从p开始的基因转录，所以o就是调节基因开放的操纵序列，乳糖能改变R结构使其不能与o结合，因而乳糖浓度增高时基因就开放，转录合成所编码的酶类，这样大肠杆菌就能适应外界乳糖供应的变化而改变利用乳糖的状况，这个模型是科学实验的基础上第一次开始认识基因表达调控的分子机理。

（二）操纵子(operon)的基本组成 • 1、结构基因群 • 结构基因：操纵元中被调控的编码蛋白质的基因可称为结构基因( SG)。一个操纵元中含有2个以上的结构基因，多的可达十几个。每个结构基因是一个连续的开放读框，5′端有翻译起始码(DNA存储链上是ATG，转录成mRNA就是AUG)，3′端有翻译终止码(DNA存储链上是TAA、TGA或TAG，转录成mRNA就是UAA、UGA或UAG)。各结构基因头尾衔接、串连排列，组成结构基因群。至少在第一个结构基因5′侧具有核糖体结合位点,因而当这段含多个结构基因的DNA被转录成多顺反子mRNA，就能被核糖体所识别结合、并起始翻译。核糖体沿mRNA移动；在合成完第一个编码的多肽后，核糖体可以不脱离mRNA而继续翻译合成下一个基因编码的多肽，直至合成完这条多顺反子mRNA所编码的全部多肽。

大肠杆菌乳糖操纵子 • 乳糖操纵子控制模型的主要内容： • ⑴Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子的mRNA分子所编码； • ⑵启动区P位于阻遏基因I与操纵区O之间； • ⑶操纵区是DNA上的一小段序列，是阻遏物结合的位点； • ⑷当阻遏物与操纵区结合时，lac mRNA的转录起始受到抑制； • ⑸诱导物通过与阻遏物结合，改变其三维构象，使之不能与操纵区结合，使lac mRNA能够合成。

（三）乳糖操纵元的表达调控 • 乳糖操纵元的结构及其基因表达调控可综合于图

乳糖操纵元含有z、y和a三个结构基因。 • z基因长3510bp，编码含1170个氨基酸、分子量为135，000的多肽，以四聚体形式组成有活性的β－半乳糖苷酶，催化乳糖转变为别乳糖，再分解为半乳糖和葡萄糖； z基因5′侧具有大肠杆菌核糖体识别结合位点（RBS)特征的 (SD)序列，因而当乳糖操纵元开放时，核糖体能结合在转录产生的mRNA上。 • y基因长780bp，编码由260个氨基酸组成、分子量30000的半乳糖透过酶，促使环境中的乳糖进入细菌； • a基因长825bp，编码含275氨基酸、分子量为32000的转乙酰基酶，以二聚体活性形式催化半乳糖的乙酰化。 • 　　由于z、y、a三个基因头尾相接，上一个基因的翻译终止码靠近下一个基因的翻译起始码，因而同一个核糖体能沿此转录生成的多顺反子mRNA移动，在翻译合成了上一个基因编码的蛋白质后，不从mRNA上掉下来而继续沿mRNA移动合成下一个基因编码的蛋白质，一气依次合成基因群所编码的所有蛋白质。

2、启动子 • 　　启动基因转录的一段DNA序列。操纵元至少有一个启动子，一般在第一个结构基因5′侧上游，控制整个结构基因群的转录。用RNA聚合酶与分离的一段DNA双链混合，再加入外切核酸酶去水解DNA，结果只有被RNA聚合酶识别结合而被保护的那段DNA不被水解，由此可以测出启动子的范围及其序列。 • 　　不同的启动子序列有所不同，有一些共同的规律，它们一般长40－60bp，含A桾碱基对较多，某些段落是很相似的，这些相似的保守性段落称为共有性序列。如图所示，启动子一般可分为识别(R)、结合(B)和起始(I)三个区段。转录起始第一个碱基(通常标记位置为＋1)最常见的是A；在－10bp附近有TATAAT一组共有序列，称为Pribnow盒；在－35bp处又有TTGACA一组共有序列。原核生物基因转录起始区

3、操纵子 • 举乳糖操纵元中的操纵子为例，如图所示，其操纵子(o)序列位于启动子(p)与被调控的基因之间，部分序列与启动子序列重叠。仔细分析该操纵子序列，可见这段双链DNA具有回文样的对称性一级结构，能形成十字形的茎环构造。不少操纵子都具有类似的对称性序列，可能与特定蛋白质的结合相关。 • 　　操纵子(operator)是指能被调控蛋白特异性结合的一段DNA序列，常与启动子邻近或与启动子序列重叠，当调控蛋白结合在操纵子序列上，会影响其下游基因转录的强弱。乳糖操纵元的P-O区及O区序列

4、调控基因 • 　　调控基因(rg)是编码能与操纵序列结合的调控蛋白的基因。 • 　　与操纵子结合后能减弱或阻止其调控基因转录的调控蛋白称为阻遏蛋白(rp)，其介导的调控方式称为负性调控； • 　　与操纵子结合后能增强或起动调控基因转录的调控蛋白称为激活蛋白，所介导的调控方式称为正性调控。 • 　　某些特定的物质能与调控蛋白结合，使调控蛋白的空间构像发生变化，从而改变其对基因录的影响，这些特定物质可称为效应物，其中凡能引起诱导发生的分子称为诱导剂，能导致阻遏发生的分子称为阻遏剂或辅助阻遏剂。

5、终止子 • 　　终止子(T)是给予RNA聚合酶转录终止信号的DNA序列。在一个操纵元中至少在构基因群最后一个基因的后面有一个终止子。 • 　　终止子按其作用是否需蛋白因子的协助至少可以分为两类： • 　　一类是不依赖ρ因子(蛋白性终止因子)的终止子，这类终止子在序列上有一些共通的特点，即有一段富含GC的反向重复序列，其后跟随一段富含AT的序列(图)，因而转录生成的mRNA的序列中能形成发夹式结构，后继一连串U，正是RNA聚合酶转录生成的这段mRNA的结构阻止RNA聚合酶继续沿DNA移动，并使聚合酶从DNA链上脱落下来，终止转录。 • 　　另一类是依赖ρ因子的终止子，即其终止转录的作用需要ρ因子的协同，或至少是受ρ因子的影响。

　　以上5种元件是每一个操纵元必定含有的。　　以上5种元件是每一个操纵元必定含有的。 • 　　其中启动子、操纵子位于紧邻结构基因群的上游，终止子在结构基因群之后，它们都在结构基因的附近，只能对同一条DNA链上的基因表达起调控作用，这种作用在遗传学实验上称为顺式作用，启动子、操纵子和终止子就属于顺式作用元件。 • 　　调控基因可以在结构基因群附近、也可以远离结构基因，它是通过其基因产物来调控蛋白来发挥作用的，因而调控基因不仅能对同一条DNA链上的结构基因起表达调控作用，而且能对不在一条DNA链上的结构基因起作用，在遗传学实验上称为反式作用，调控基因就属于反式作用元件，其编码产生的调控蛋白称为反式调控因子。

（三）乳糖操纵元的表达调控 • 乳糖操纵元的结构及其基因表达调控可综合于图

1、阻遏蛋白的负性调控 • 当大肠杆菌在没有乳糖的环境中生存时，1ac操纵元处于阻遏状态。i基因在其自身的启动子Pi控制下，低水平、组成性表达产生阻遏蛋白R，每个细胞中仅维持约10个分子的阻遏蛋白。R以四聚体形式与操纵子o结合，阻碍了RNA聚合酶与启动子P1ac的结合，阻止了基因的转录起动。R的阻遏作用不是绝对的，R与o偶尔解离，使细胞中还有极低水平的β－半乳糖苷酶及透过酶的生成。 • 　　当有乳糖存在时，乳糖受β－半乳糖苷酶的催化转变为别乳糖，与R结合，使R构象变化，R四聚体解聚成单体，失去与o的亲和力，与o解离，基因转录开放，β－半乳糖苷酶在细胞内的含量可增加1000倍。这就是乳糖对1ac操纵元的诱导作用。

　　一些化学合成的乳糖类似物，不受β－半乳糖苷酶的催化分解，却也能与R特异性结合，使R构象变化，诱导1ac操纵元的开放。　　一些化学合成的乳糖类似物，不受β－半乳糖苷酶的催化分解，却也能与R特异性结合，使R构象变化，诱导1ac操纵元的开放。 • 　　例如异丙基硫代半乳糖苷(IPTG)就是很强的诱导剂，不被细胞代谢而十分稳定。X－gal(5－溴－4－氯－3－吲哚－β－半乳糖苷)也是一种人工化学合成的半乳糖苷，可被β－半乳糖苷酶水解产生兰色化合物，因此可以用作β－半乳糖苷酶活性的指示剂。IPTG和X－gal都被广泛应用在分子生物学和基因工程的工作中。

2、CAP的正性调控 • 细菌中的cAMP含量与葡萄糖的分解代谢有关，当细菌利用葡萄糖分解供给能量时，cAMP生成少而分解多，cAMP含量低；相反，当环境中无葡萄糖可供利用时，cAMP含量就升高。细菌中有一种能与cAMP特异结合的cAMP受体蛋白CRP，当CRP未与cAMP结合时它是没有活性的，当cAMP浓度升高时，CRP与cAMP结合并发生空间构象的变化而活化，称为CAP，能以二聚体的方式与特定的DNA序列结合。 • 　　在1ac操纵元的启动子P1ac上游端有一段与P1ac部分重叠的序列，能与CAP特异结合，称为CAP结合位点。CAP与这段序列结合时，可增强RNA聚合酶的转录活性，使转录提高50倍。相反，当有葡萄糖可供分解利用时，cAMP浓度降低，CRP不能被活化，1ac操纵元的结构基因表达下降。葡萄糖利用对乳糖操纵元的影响

　　由于P1ac是弱启动子，单纯因乳糖的存在发生去阻遏使1ac操纵元转录开放，还不能使细胞很好利用乳糖，必须同时有CAP来加强转录活性，细菌才能合成足够的酶来利用乳糖。1ac操纵元的强诱导既需要有乳糖的存在，又需要没有葡萄糖可供利用。通过这种机制，细菌优先利用环境中的葡萄糖，只有无葡萄糖而又有乳糖时，细菌才去充分利用乳糖。　　由于P1ac是弱启动子，单纯因乳糖的存在发生去阻遏使1ac操纵元转录开放，还不能使细胞很好利用乳糖，必须同时有CAP来加强转录活性，细菌才能合成足够的酶来利用乳糖。1ac操纵元的强诱导既需要有乳糖的存在，又需要没有葡萄糖可供利用。通过这种机制，细菌优先利用环境中的葡萄糖，只有无葡萄糖而又有乳糖时，细菌才去充分利用乳糖。 • 　　不难看出：CAP结合位点就是一种起正性调控作用的操纵子，CAP则是对转录起正性作用的控蛋白激活蛋白，编码CRP的基因也是一个调控基因，不过它并不在1ac操纵元的附近，CAP可以对几个操纵元都起作用。 • 　　从上所述，乳糖操纵元属于可诱导操纵元，这类操纵元通常是关闭的，当受效应物作用后诱导开放转录。这类操纵元使细菌能适应环境的变化，最有效地利用环境能提供的能源底物。返回首页

三、色氨酸操纵子的调控模式 • 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元(trp operon)的调控。 • 色氨酸操纵子负责色氨酸的生物合成，当培养基中有足够的色氨酸时，这个操纵子自动关闭，缺乏色氨酸时操纵子被打开，trp基因表达，色氨酸或与其代谢有关的某种物质在阻遏过程（而不是诱导过程）中起作用。由于trp体系参与生物合成而不是降解，它不受葡萄糖或cAMP-CAP的调控。

1、色氨酸操纵元的结构与阻遏蛋白的负性调控1、色氨酸操纵元的结构与阻遏蛋白的负性调控 • 　　色氨酸的合成分5步完成。每个环节需要一种酶，编码这5种酶的基因紧密连锁在一起，被转录在一条多顺反子mRNA上，分别以trpE、trpD、trpC、trpB、trpA代表. • 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基因是第一个被翻译的基因，还有trpL(前导区）和trpa（为弱化子区，不是trpA）。trp操纵子中产生阻遏物的基因是trpR，该基因距trp基因簇很远，在位于trp基因簇较远处还有一个trpS（色氨酸tRNA合成酶），它和携带有trp的tRNATrp也参与trp操纵子的调控作用。

　　合成色氨酸所需要酶类的基因E、D、C、B、A等头尾相接串连排列组成结构基因群，受其上游的启动子Ptrp和操纵子o的调控，调控基因trpR的位置远离P-o-结构基因群，在其自身的启动子作用下，以组成性方式低水平表达分子量为47000的调控蛋白R。R并没有与o结合的活性，当环境能提供足够浓度的色氨酸时，R与色氨酸结合后构象变化而活化，就能够与o特异性亲和结合，阻遏结构基因的转录，因此这是属于一种负性调控的、可阻遏的操纵元(repressible operon)，即这操纵元通常是开放转录的，当有效应物(色氨酸为阻遏剂)作用时，则阻遏关闭转录。细菌不少生物合成系统的操纵元都属于这种类型，其调控可使细菌处在生存繁殖最经济最节省的状态。

trp操纵子的阻遏系统 • trpR基因突变常引起trp mRNA的永久型合成，该基因产物因此被称为辅阻遏蛋白(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。辅阻遏蛋白与色氨酸相结合形成有活性的阻遏物，与操纵区结合并使之关闭转录trp mRNA。 • 　　阻遏-操纵机制对色氨酸来说是一个一级开关，主管转录是否启动，相当于粗调开关。trp操纵子中对应于色氨酸生物合成的还有另一个系统进行细调控，指示已经启动的转录是否继续下去。这个细微调控是通过转录达到第一个结构基因之前的过早终止来实现的，由色氨酸的浓度来调节这种过早终止的频率。

2、衰减子（弱化子）与前导肽 • 实验观察表明：当色氨酸达到一定浓度，但还没有高到能够活化R使其起阻遏作用的程度时，产生色氨酸合成酶类的量已经明显降低，而且产生的酶量与色氨酸浓度呈负相关。仔细研究发现这种调控现象与色氨酸操纵元特殊的结构有关。色氨酸操纵元中的衰减子结构及其调控示意图

前导区序列特点与弱化作用 • 在色氨酸操纵元Ptrp-o与第一个结构基因trpE之间有162bp的一段先导序列(L)。实验证明当色氨酸达一定浓度时，RNA聚合酶的转录会终止在这里。这段序列中含有编码由14个氨基酸组成的短肽的开放读框，其序列中有2个色氨酸相连，在此开放读框前有核糖体识别结合位点(RBS)序列，提示这段短开放读框在转录后是能被翻译的。在先导序列的后半段含有3对反向重复序列(图中A、B及C)，在被转录生成mRNA时都能够形成发夹式结构，但由于B的序列分别与A和C重叠，所以如果B形成发夹结构，A和C都不能再形成发夹结构；相反，当A形成发夹结构时，B就不能形成发夹结构，却有利于C生成发夹结构。C后面紧跟一串A(转录成RNA就是一串U)，C实际上是一个终止子，如果转录mRNA时它形成发夹结构，就能使RNA聚合酶停止转录而从mRNA上脱离下来。三种不同情况下A、B、C形成发夹结构的状态

　　在色氨酸未达到能起阻遏作用的浓度时，从Ptrp起始转录，RNA聚合酶沿DNA转录合成mRNA，同时核糖体就结合到新生成的mRNA核糖体结合位点上开始翻译。当色氨酸浓度低时，生成的tRNAtrp色氨酸量就少，能扩散到核糖体mRNA形成的翻译复合体中供给合成短肽的几率低，使核糖体沿mRNA翻译移动的速度慢，赶不上RNA聚合酶沿DNA移动转录的速度，这时核糖体占据短开放读框的机会较多，使A不能生成发夹结构，于是B就形成发夹结构，阻止了C生成终止信号的结构，RNA聚合酶得以沿DNA前进，继续去转录其后trpE等基因，trp操纵元就处于开放状态。当色氨酸浓度增高时，tRNAtrp色氨酸浓度随之升高，核糖体沿mRNA翻译移动的速度加快，占据到B段的机会增加，B生成发夹结构的机会减少，C形成终止结构的机会增多，RNA聚合酶终止转录的的几率增加，于是转录减弱。　　在色氨酸未达到能起阻遏作用的浓度时，从Ptrp起始转录，RNA聚合酶沿DNA转录合成mRNA，同时核糖体就结合到新生成的mRNA核糖体结合位点上开始翻译。当色氨酸浓度低时，生成的tRNAtrp色氨酸量就少，能扩散到核糖体mRNA形成的翻译复合体中供给合成短肽的几率低，使核糖体沿mRNA翻译移动的速度慢，赶不上RNA聚合酶沿DNA移动转录的速度，这时核糖体占据短开放读框的机会较多，使A不能生成发夹结构，于是B就形成发夹结构，阻止了C生成终止信号的结构，RNA聚合酶得以沿DNA前进，继续去转录其后trpE等基因，trp操纵元就处于开放状态。当色氨酸浓度增高时，tRNAtrp色氨酸浓度随之升高，核糖体沿mRNA翻译移动的速度加快，占据到B段的机会增加，B生成发夹结构的机会减少，C形成终止结构的机会增多，RNA聚合酶终止转录的的几率增加，于是转录减弱。

　　如果当其他氨基酸短缺(注意：短开放读框编码的14肽中多数氨基酸能由环境充分供应的机会是不多的)或所有的氨基酸都不足时，核糖体翻译移动的速度就更慢，甚至不能占据A的序列，结果有利于A和C发夹结构的形成，于是RNA聚合酶停止转录，等于告诉细菌：“整个氨基酸都不足，即使合成色氨酸也不能合成蛋白质，不如不合成以节省能量”。　　如果当其他氨基酸短缺(注意：短开放读框编码的14肽中多数氨基酸能由环境充分供应的机会是不多的)或所有的氨基酸都不足时，核糖体翻译移动的速度就更慢，甚至不能占据A的序列，结果有利于A和C发夹结构的形成，于是RNA聚合酶停止转录，等于告诉细菌：“整个氨基酸都不足，即使合成色氨酸也不能合成蛋白质，不如不合成以节省能量”。 • 　　由此可见，先导序列起到随色氨酸浓度升高降低转录的作用，这段序列就称为衰减子attenuator)。在trp操纵元中，对结构基因的转录阻遏蛋白的负调控起到粗调的作用，而衰减子起到细调的作用。细菌其他氨基酸合成系统的许多操纵元(如组氨酸、苏氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸等操纵元)中也有类似的衰减子存在。返回首页

四、其他操纵子的调控机制 • 1．半乳糖操纵子 • 大肠杆菌半乳糖操纵子包括3个结构基因：异构酶(galE)，半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷转移酶(galT)，半乳糖激酶(galk)。这3个酶的作用是使半乳糖变成葡萄糖-1-磷酸。GalR与galE、T、K及操纵区O等离得很远，而galR产物对galO的作用与lacI-lacO的作用相同。

gal操纵子的特点：① 它有两个启动子，其mRNA可从两个不同的起始点开始转录；② 它有两个O区，一个在P区上游-67--53，另一个在结构基因galE内部。

　　分析gal操纵子P-O区的DNA序列发现，该操纵子确实存在两个相距仅5bp的启动子，可以分别起始mRNA的合成。每个启动子拥有各自的RNA聚合酶结合位点S1和S2。　　分析gal操纵子P-O区的DNA序列发现，该操纵子确实存在两个相距仅5bp的启动子，可以分别起始mRNA的合成。每个启动子拥有各自的RNA聚合酶结合位点S1和S2。 • 　　从S1起始的转录只有在培养基中无葡萄糖时，才能顺利进行，RNA聚合酶与S1的结合需要半乳糖、CAP和较高浓度的cAMP。从S2起始的转录则完全依赖于葡萄糖，高水平的cAMP-CAP能抑制由这个启动子起始的转录。当有cAMP-CAP时，转录从S1开始，当无cAMP-CAP时，转录从S2开始。

双启动子的生理功能 • 半乳糖不仅可以作为唯一碳源供细胞生长，而且与之相关的物质--尿苷二磷酸半乳糖（UDPgal）是大肠杆菌细胞壁合成的前体。在没有外源半乳糖的情况下，UDP-gal是通过半乳糖差向异构酶的作用由UDP-葡萄糖合成的，该酶是galE基因的产物。生长过程中的所有时间里细胞必须能够合成差向异构酶。现在设想只有S1一个启动子，那么由于这个启动子的活性依赖于cAMP-CRP，当培养基中有葡萄糖存在时就有能合成异构酶。假如唯一的启动子是S2，那么，即使在葡萄糖存在的情况下，半乳糖也将使操纵子处于充分诱导状态，这无疑是一种浪费。无论从必要性或经济性考虑，都需要一个不依赖于cAMP-CAP的启动子（S1）对高水平合成进行调节。

2、阿拉伯糖操纵子 • ara操纵子的结构 • araBAD和araC的转录是分别在DNA的两条链上反向进行的

AraC蛋白的正、负调节作用 • ● araC蛋白既是ara操纵子的正调节蛋白又是负调节蛋白 • ● 正调节作用需要CAP的参与启动子与操纵子重叠

当cAMP低时：CAP结合位空，一个C蛋白与araO1和araO2结合，将DNA拉成一个环，BAD启动子阻遏，C基因启动子也阻遏。当cAMP低时：CAP结合位空，一个C蛋白与araO1和araO2结合，将DNA拉成一个环，BAD启动子阻遏，C基因启动子也阻遏。 • 当cAMP高时： cAMP 与CAP结合，C蛋白放出araO2结合部位，DNA不形成环，激活RNA聚合酶，BAD启动子启动。

营养状况对ara操纵子活性的影响 ● 有葡萄糖时，不转录 • ● 无葡萄糖，也无阿拉伯糖时，不转录 • ● 无葡葡糖，有阿拉伯糖时，araBAD基因表达

五、固氮基因调控（简介） • 1、生物固氮简介 • 微生物利用自己独特的固氮酶系统．将从光合作用产物或其他碳水化合物得到的电子和能量传递给氮（N2），使其还原成氨，这就是生物固氮。 • 生物固氮主要包括自生固氮和共生固氮两大类。自生固氮是指有些固氮微生物在土壤或培养基中能够独立地完成固定大气中的分子态氮的作用，其固氮量远远低于共生固氮。共生固氮是指固氮微生物和寄生植物生活在一起，直接从寄生植物获取能源，完成固氮作用。由于其固氮能力强，在农业生产中的意义也最大，常见的如豆科植物的共生固氮，蓝绿藻与红萍的共生固氮等。返回首页

当前生物固氮研究的内容，大致有以下三个方面：当前生物固氮研究的内容，大致有以下三个方面： • （1）在固氮资源的有效利用方面，许多国家都在大力发展豆科作物，通过其有效的共生固氮体系，增加生物氮源，改善土壤肥力，以促进农业增产。此外，接种根瘤菌提高豆科作物产量已在全世界范围内使用。在稻田里接种和放养红萍和固氮蓝藻，既能增加土壤中生物氮数量，又能提高水稻的产量。这种共生固氮途径的有效利用，在我国和东南亚一些国家已有悠久的历史。（2）固氮的遗传工程受到了广泛重视，已成为目前最活跃的研究领域。遗传工程是用人工方法去改变生物体的遗传特性或者按照人们的意愿去创造新物种。对于固氮微生物来说，固氮基因操纵和调节固氮酶的合成，从而使固氮微生物具有固氮作用。如果将固氮基因进行人工转移，就可能获得具有固氮作用的新物种。

第六讲 原核基因表达调控