原核生物基因表達調控基因表達調控的基本概念基因表達(geneexpression)：是指儲存遺傳信息的基因經過轉錄、翻譯合成特定蛋白質，進而發揮其生物功能的整個過程。也即基因轉錄及翻譯的過程。rRNA、tRNA編碼基因轉錄合成RNA的過程也屬于基因表達。基因表達調控(geneexpressionregulation):對基因表達過程的調節就稱為基因表達調控。組成性表達(constitutiveexpression)適應性表達(adaptiveexpression）基因表達的方式概念：又稱組成性基因表達(constitutivegeneexpression),是指在個體發育的任一階段都能在大多數細胞中持續進行的基因表達。其基因表達產物通常是對生命過程必需的或必不可少的，且較少受環境因素的影響。這類基因通常被稱為管家基因（housekeepinggene）。

特點：不易受環境變化影響，表達產物是整個生命過程中都持續需要的，是細胞存活所必須的；表達水平較恒定。意義：維持生命活動組成性表達概念：指環境的變化容易使其表達水平變動的一類基因表達。誘導：隨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)；阻遏：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)。特點：受環境變化影響意義：適應環境適應性表達基因表達的時間性和空間性時間特異性(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)。空間特異性(spatialspecificity)是指多細胞生物個體在某一特定生長發育階段，同一基因的表達在不同的細胞或組織器官中，從而導致特異性的蛋白質分布于不同的細胞或組織器官。故又稱為細胞特異性或組織特異性(cellortissuespecificity)。

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）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轉錄激活調節基本要素

——順式作用元件和反式作用因子在基因轉錄水平上的調控都是特定的蛋白質分子和特定的DNA序列兩個因素相互作用的結果。起調控作用的DNA序列稱為順式作用元件或順式調控元件。與這些DNA序列相互作用的蛋白質稱為反式作用因子。順式作用元件（cis-actingelement）：又稱分子內作用元件，指存在于DNA分子上的一些與基因轉錄調控有關的特殊序列。在原核生物中，大多數基因表達通過操縱元模型進行調控，其順式作用元件主要由啟動子、操縱子和調節基因組成。在真核生物中，與基因表達調控有關的順式作用元件主要有啟動子(promoter)、增強子(enhancer)和沉默子(silencer)。沉默子(silencer)：可降低基因啟動子轉錄活性的一段DNA順式元件。與增強子作用相反。反式作用因子（trans-actingfactor）又稱為分子間作用因子，指一些與基因表達調控有關的蛋白質因子。反式作用因子與順式作用元件之間的共同作用，才能夠達到對特定基因進行調控的目的。原核生物中的反式作用因子主要分為特異因子、激活蛋白和阻遏蛋白。真核生物中的反式作用因子通常稱為轉錄因子。反式作用因子也是基因產物。順式作用元件與反式作用因子

之間的相互作用大多數調節蛋白在與DNA結合之前，需先通過蛋白質-蛋白質相互作用，形成二聚體或多聚體，然后再通過識別特定的順式作用元件，而與DNA分子結合。這種結合通常是非共價鍵結合。轉錄水平上的調控負轉錄調控（

negativetranscriptionregulation)

調節基因的產物是阻遏蛋白正轉錄調控（positivetranscriptionregulation)

調節基因的產物是激活蛋白使阻遏蛋白失活或使激活蛋白激活，從而實現誘導。使阻遏蛋白激活或使激活蛋白失活，從而實現阻遏。誘導物(inducer)輔阻遏物(co-repressor)誘導物(inducer)阻遏蛋白阻遏作用誘導物去阻遏作用去阻遏作用阻遏蛋白輔阻遏物(co-repressor)阻遏作用輔阻遏物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轉錄水平的調控操縱子(operon)

概念：

在原核生物中，若干結構基因可串聯在一起，其表達受到同一調控系統的調控，這種基因的組織形式稱為操縱子。發現：

1961年JacobandMonod---乳糖操縱子模型細菌轉錄調控的最初概念操縱子(operon)的基本組成結構基因、調節基因、操縱元件lacZlacYlacAPlacIPlacOlaclacIControlelementStructuralgenes結構基因：可編碼非調控RNA或蛋白質的一段DNA序列（除調節基因以外的所有基因）。特點：（1）含有2個以上的基因（2）各結構基因串連排列，組成結構基因群lacZlacYlacAPlacIPlacOlaclacI（3）多個結構基因的DNA被轉錄成多順反子mRNA（4）每個結構基因是一個連續的開放讀框（5）至少在第一個開放讀框5’側具有核糖體結合位點，核糖體識別并結合RBS，起始翻譯。UAAAUGAUGUAA…...3’調節基因（regulatorygene）其產物參與調控其他結構基因表達的基因lacZlacYlacAPlacIPlacOlaclacImRNA特點：可在結構基因群附近、也可遠離結構基因不僅對同一條DNA鏈上的結構基因起作用，而且能對不同DNA鏈上的結構基因起作用調控蛋白：類型：a、阻遏蛋白（repressiveprotein）與操縱元件結合后能減弱或阻止所調控基因轉錄的調控蛋白b、激活蛋白（activatingprotein）與操縱元件結合后能增強或啟動所調控基因轉錄的調控蛋白 操縱元件（operator）：是指能被調控蛋白特異性結合的一段DNA序列，常與啟動子鄰近或與啟動子序列重疊特點：（1）與啟動子鄰近或與啟動子部分序列重疊（2）具有回文結構，能形成十字形結構。（3）與不同構像的蛋白質結合，可以分別起阻遏或激活基因表達的作用

lacZlacYlacAPlacIPlacOlaclacI乳糖操縱子(Lacoperon)1940年，Monod發現：E.coli在含葡萄糖和乳糖的培養基上生長時，細菌先利用葡萄糖，葡萄糖耗盡后，才利用乳糖；在糖源轉變期，細菌的生長會出現停頓，即產生“二次生長曲線”。操縱子學說乳糖對

－半乳糖苷酶的合成有誘導作用。葡萄糖對

－半乳糖苷酶的合成有抑制作用。lacZlacYlacAPlacIPlacOlaclacI組成：3種元件由1個調節基因，3個結構基因、控制元件、ZYAOPLac結構基因LacIPlacI調控基因β半乳糖苷酶β半乳糖苷透性酶β半乳糖苷乙酰轉移酶阻遏蛋白催化β-半乳糖苷水解將β-半乳糖苷轉入細胞將乙酰CoA的乙酰基轉移到β-半乳糖苷上啟動子(lacP)操縱元件（lacO）乳糖操縱子的結構和功能1、結構基因（1）lacZ：編碼b

－半乳糖苷酶

（使乳糖水解）（2）lacY：編碼b

－半乳糖苷透過酶（使b

－半乳糖苷透過細胞壁、質膜進入細胞內）（3）lacA：編碼b

－半乳糖苷乙酰轉移酶（將乙酰基轉移到b

－半乳糖苷上）4、調節基因lacI：編碼阻遏蛋白（repressiveprotein）亞基

四聚體存在時具有活性，與Olac具有很強的親和力lacZlacYlacAPlacIPlacOlaclacI5、操縱元件操縱元件Olac（1）28bp的回文結構，可形成十字形結構（2）這種結構正好與由四個相同亞基組成的阻遏蛋白相匹配。啟動子：Plac：控制

lacZ,lacY,lacA，多順反子的mRNA；PlacI終止子

lacO是-5至+21的序列，與啟動子右末端重疊lacO的序列，以+11為對稱軸具有反向重復序列乳糖操縱子的表達調控1、阻遏蛋白的負調控沒有乳糖時，1ac操縱子處于阻遏狀態。LacI基因在自身的啟動子PLacI控制下，產生阻遏蛋白R。R以四聚體形式與操縱子OLac結合，阻礙RNA聚合酶與啟動子PLac的結合。當有乳糖存在時，乳糖與阻遏蛋白結合，使阻遏蛋白四聚體解聚成單體，失去與OLac的親和力，與OLac解離，基因轉錄開放。安慰誘導物（gratuitousinducer）：能高效誘導酶的合成但不被所誘導的酶分解的分子。誘導物：IPTG（異丙基硫代半乳糖苷），TMG（巰甲基半乳糖苷），顯色底物：ONPG（O-硝基半乳糖苷）2、CAP的正調控

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。cAMPreceptorprotein(CRP)CRPisatranscriptionalactivatorwhichisactivatedbybindingtocAMP.CRP結合cAMP后有活性，是一個轉錄激活因子However,itisonlyactivewhencAMPbound,andcAMPiscontrolledbyglucose.CRP只有結合cAMP后才有活性，cAMP受到葡萄糖的控制。CRPactivatormediatestheglobalregulationofgeneexpressionfromcatabolicoperonsinresponseto

glucoselevels.CRP激活因子參與對葡萄糖水平應答的分解代謝操縱子的基因表達的全局調控

cAMP與CRP結合變為CAP，并以二聚體的方式與特定的DNA序列結合。

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，沒有強的-35區，只有弱的-10區，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。為達到高水平的轉錄，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。ThePlacisaweakpromoter,lackingastrong–35and–10consensussequences.Highlevelexpressionfromthispromoterrequirestheactivityofthespecificactivator,CRP.WhenglucoseispresentThelevelofcAMPislowincell,andCRPexistsasadimerwhichcan’tbindtoDNAtoregulatetranscription.有葡萄糖時候，cAMP含量低，CRP以二聚體形式存在，不能獨立結合DNA調節轉錄WhenglucoseisabsentThelevelofcAMPincreaseandCRPbindtocAMP.TheCRP-cAMPcomplexbindstoPlacjustupstreamfromthesiteforRNApolymerase.Inducesa90°bendinDNAwhichenhancesRNApolymerasebindingtothepromoterandthusthetranscriptionby

50-fold.無葡萄糖時，cAMP含量升高，結合CRP。CRP-cAMP復合物結合到緊鄰RNA聚合酶結合位點的上游.其結合引起DNA鏈發生大于90°的彎曲，增強了RNA聚合酶與啟動子的結合，提高轉錄效率50倍。CABSummaryA:

RNApolymeraseB:

lacrepressor

C:

CRP-cAMP5.lac操縱子正負調控的協調作用負調控：受乳糖和阻遏蛋白調節正調控：受cAMP和CAP調節兩種調控機制根據存在的C源性質和水平協調的調節lac操縱子的表達。無乳糖:阻遏蛋白結合于操縱基因，轉錄不能起始。有乳糖，有葡萄糖:cAMP↓，CAP失活，不能激活基因轉錄，lac操縱子本底水平轉錄。有乳糖:阻遏蛋白失活，轉錄起始。無葡萄糖:CAP活化，激活基因轉錄，lac操縱子高水平轉錄。分解代謝阻遏作用（cataboliterepression）：在細胞中，優先利用葡萄糖作碳源，而不使用其他糖類這種選擇，是由葡萄糖的分解代謝物控制的。TheCRP(alsocalledCAP)proteincanbindatdifferentsitesrelativetoRNApolymerase.Supp.TheTrpOperon（色氨酸操縱子）色氨酸是構成蛋白質的組分，一般的環境難以給細菌提供足夠的色氨酸，細菌要生存繁殖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、減少或停止合成色氨酸，以減輕自己的負擔。細菌所以能做到這點是因為有色氨酸操縱子（trpoperon）的調控。1.Thetrpoperonencodesfivestructuralgenesrequiredfortryptophansynthesis.2.Itencodesasignaltranscription(7kb,polycistron)downstreamofOtrp.3.Thesegenesareco-ordinatelyexpressedwhentryptophanisinshortsupplyinthecell.ABCTheTrprepressor（色氨酸阻遏物）合成色氨酸所需要酶類的基因E、D、C、B、A等頭尾相接串連排列組成結構基因群，受其上游的啟動子Ptrp和操縱子Otrp的調控，調控基因trpR的位置遠離P-O-結構基因群，在其自身的啟動子作用下，以組成性方式低水平表達其編碼分子量為47KD的調控蛋白阻遏蛋白R，R并沒有與O結合的活性，當環境能提供足夠濃度的色氨酸時，R與色氨酸結合后構象變化而活化，就能夠與ｏ特異性親和結合，阻遏結構基因的轉錄。Trp

repressor

isencoded

byaseparateoperon

trpR,andspecificallyinteractswithOtrp,apalindromeof18bp,andoverlapswiththePtrpsequencebetweenbase–21and+3)

色氨酸阻遏物由trpR編碼，與操縱元件特異性結合。結合位點與Ptrp在-21-+3區有重疊2.TherepressorcanonlybindtotheoperatorOtrpwhenitiscomplexedwithtryptophan.Therefore,tryisaco-repressorandinhibitsitsownsynthesisthroughend-productinhibition(negativefeed-backregulation). 阻遏蛋白只有結合色氨酸后才能與Otrp結合。色氨酸操縱子編碼的酶的終端產物色氨酸作為共阻遏因子通過終產物抑制自身的合成。3.Therepressorreducestranscriptioninitiationbyaround70-fold,whichismuchsmallerthanthebindingoflacrepressor. 阻遏蛋白的阻遏作用是轉錄起始降低70倍。4.TherepressorisadimeroftwosubunitswhichhasastructurewithacentralcoreandtwoflexibleDNA-readingheads(carboxyl-terminalofeachsubunit)trpoperon色氨酸操縱子屬于一種負性調控的、可阻遏的操縱子（repressibleoperon），即這操縱子通常是開放轉錄的，有效應物（色氨酸為輔阻遏物）作用時則阻遏關閉轉錄。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。

Theattenuator（衰減子）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。研究發現這種調控現象與色氨酸操縱子特殊的結構有關。Repressordoesnotaccountforalltheregulation； 阻遏蛋白DeletionofasequencebetweentheoperatorandtrpEgenecodingregion(attenuator)increaseboththebasalandtheactivated(derepressed)levelsoftranscription.

Otrp和trpE之間序列的缺失導致基因基本轉錄水平和活化后的轉錄水平的上升。LiesattheendofthetranscribedleadersequencethatprecedesthetrpEinitiatorcodon.弱化子位于trpE起始密碼子前面162nt的轉錄前導序列的末端2.Isaρ-independentterminatorsite(GC-richpalindrome)f0llowedbyeightsuccessiveUresidues.弱化子是一個不依賴于ρ因子的終止子，在一段富含GC的回文結構后是8個連續的U殘基3.Actsasahighlyefficienttranscriptionterminatorifthehairpinstructureisformed,andonlyaveryshorttransciptissynthesized. 如果這段序列能在RNA轉錄物中形成發夾結構，就可以作為一個高效的轉錄終止子。LeaderRNAstructure（先導RNA的結構）Complementary3:4terminationoftranscription

Complementary2:3ElongationoftranscriptionTheleadersequencecontainsfourregions(sequence1,2,3,4)ofcomplementarysequencethatcanformdifferentstructuresfreeleaderRNAtrp前導區的堿基序列已經全部測定，發現完整的前導序列可分為1、2、3、4區域，這四個區域的片段能以兩種不同的方