第一節原核基因表達調控總論1基因表達調控主要表現在以下二方面：轉錄水平上的調控轉錄后水平上的調控：mRNA加工成熟水平調控翻譯水平調控不同的生物使用不同的信號來指揮基因調控。原核生物中，營養狀況和環境因素對基因表達起著舉足輕重的影響。在真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平和發育階段是基因表達調控的最主要手段，營養和環境因素的影響力大為下降。第一節原核基因表達調控總論2023/11/42在轉錄水平上對基因表達的調控決定于DNA的結構、RNA聚合酶的功能、蛋白因子及其他小分子配基的相互作用。轉錄與翻譯的特點：細菌的轉錄與翻譯過程幾乎發生在同一時間間隔內，轉錄與翻譯相耦聯。真核生物中，轉錄產物只有從核內運轉到核外，才能被核糖體翻譯成蛋白質。第一節原核基因表達調控總論2023/11/431.原核基因調控分類原核生物的基因調控主要發生在轉錄水平上，根據調控機制的不同可分為負轉錄調控和正轉錄調控。在負轉錄調控系統中，調節基因的產物是阻遏蛋白(repressor)。根據其作用特征又可分為負控誘導系統和負控阻遏系統二大類。在正轉錄調控系統中，調節基因的產物是激活蛋白(activator)。也可根據激活蛋白的作用性質分為正控誘導系統和正控阻遏系統。阻遏蛋白激活蛋白轉錄激活負控誘導正控誘導轉錄抑制負控阻遏正控阻遏第一節原核基因表達調控總論2023/11/462.原核基因調控的主要特點：原核生物通過特殊代謝物調節的基因活性主要分為可誘導和可阻遏兩大類:可誘導調節。是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。這類基因中最突出的例子是大腸桿菌的乳糖操縱子。可阻遏調節。這類基因平時都是開啟的，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。比如大腸桿菌中的色氨酸操縱子。第一節原核基因表達調控總論2023/11/473.弱化子對基因活性的影響在這種調節方式中，起信號作用的是有特殊負載的氨酰-tRNA的濃度，在色氨酸操縱子中就是色氨酰-tRNA的濃度。當操縱子被阻遏，RNA合成被終止時，起終止轉錄信號作用的那一段DNA序列被稱為弱化子。屬于這種調節方式的有：大腸桿菌中的色氨酸操縱子、苯丙氨酸操縱子、蘇氨酸操縱子、異亮氨酸操縱子和纈氨酸操縱子以及沙門氏菌的組氨酸操縱子和亮氨酸操縱子、嘧啶合成操縱子等等。第一節原核基因表達調控總論2023/11/484.降解物對基因活性的調節有葡萄糖存在的情況下，即使在細菌培養基中加入乳糖、半乳糖、阿拉伯糖或麥芽糖等誘導物，與其相對應的操縱子也不會啟動，不會產生出代謝這些糖的酶來，這種現象稱為葡萄糖效應或稱為降解物抑制作用。降解物抑制作用是通過提高轉錄強度來調節基因表達的，是一種積極的調節方式。第一節原核基因表達調控總論2023/11/495.細菌的應急反應細菌有時會碰到緊急狀況，比如氨基酸饑餓——氨基酸的全面匱乏。細菌會產生一個應急反應——停止包括生產各種RNA、糖、和蛋白質的幾乎全部生物化學反應過程。實施這一應急反應的信號是鳥苷四磷酸(ppGpp)和鳥苷五磷酸(pppGpp)。產生這兩種物質的誘導物是空載tRNA。當氨基酸饑餓時，細胞中便存在大量的不帶氨基酸的tRNA，這種空載的tRNA會激活焦磷酸轉移酶，使ppGpp大量合成。ppGpp的出現會關閉許多基因，以應付這種緊急狀況。ppGpp影響RNA聚合酶與這些基因轉錄起始位點的結合，使基因被關閉。ppGpp與pppGpp的作用范圍十分廣泛，它們影響一大批操縱子而被稱為超級調控因子。第二節乳糖操縱子2023/11/4101961年，Jacob和Monod提出了操縱子模型，這是與特殊代謝途徑有關的基因轉錄的協同調控模型。操縱子是基因表達和調控的單元，典型的操縱子包括:結構基因（除調節基因以外的所有基因），編碼那些在某一特定的生物合成途徑中起作用的、其表達被協同調控的酶。調控元件，如操縱序列，是調節結構基因轉錄的一段DNA序列。調節基因，其產物能夠識別調控元件，例如阻抑物，可以結合并調控操縱基因序列。第二節乳糖操縱子2023/11/411大腸桿菌能利用乳糖作為碳源，而利用乳糖作為碳源的酶只有當乳糖成為惟一的碳源時才會被合成。大腸桿菌乳糖操縱子（lactoseoperon）包括3個結構基因：Z、Y和A，以及啟動子、控制子和阻遏子等。轉錄的調控是在啟動區和操縱區進行的。第二節乳糖操縱子2023/11/412P為啟動子，O為操縱區，lacI編碼阻遏子3個結構基因各決定一種酶：Z編碼β-半乳糖苷酶；Y編碼β-半乳糖苷透過酶；A編碼β-半乳糖苷乙酰基轉移酶。β-半乳糖苷酶是一種β-半乳糖苷鍵的專一性酶，除能將乳糖水解成葡萄糖和半乳糖外，還能水解其他β-半乳糖苷（如苯基半乳糖苷）。β-半乳糖苷透過酶的作用是使外界的β-半乳糖苷透過大腸桿菌細胞壁和原生質膜進入細胞內。β-半乳糖苷乙酰基轉移酶的作用是把乙酰輔酶A上的乙酰基轉移到-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。第二節乳糖操縱子2023/11/4131.酶的誘導——lac體系受調控的證據一般情況下，lac+基因型大腸桿菌細胞內β-半乳糖苷酶和透過酶的濃度很低，每個細胞只有1～2個酶分子。但是，在乳糖培養基上酶的濃度很快達到細胞總蛋白量的6%或7%，超過105個酶分子lacmRNA/細胞。在無葡萄糖有乳糖的培養基中，lac+細菌中將同時合成β-半乳糖苷酶和透過酶。第二節乳糖操縱子2023/11/4141.酶的誘導——lac體系受調控的證據用32P標記的mRNA與模板DNA進行定量分子雜交，表明培養基中加入乳糖1～2分鐘后，編碼β-半乳糖苷酶和透過酶的lacmRNA量就迅速增加，去掉乳糖后，量立即下降。第二節乳糖操縱子2023/11/4151.酶的誘導——lac體系受調控的證據實驗室常用兩種乳糖類似物——異丙基巰基半乳糖苷（IPTG）和巰甲基半乳糖苷（TMG），在酶活性分析中常用發色底物O-硝基半乳糖苷（ONPG）。因為它們都不是半乳糖苷酶的底物，所以又稱為安慰性誘導物。第二節乳糖操縱子2023/11/4162.操縱子模型及其影響因子Jacob和Monod通過大量實驗及分析，建立了現在已經被人們廣泛接受的乳糖操縱子的控制模型。內容如下：Z、Y、A基因產物由同一條多順反子mRNA分子所編碼該mRNA分子的啟動區（P）位于阻遏基因（I）與操縱區（O）之間，不能單獨起始半乳糖苷酶和透過酶基因的高效表達。操縱區是DNA上的一小段序列（僅為26bp），是阻遏物的結合位點。2023/11/417當阻遏物與操縱區相結合時，lacmRNA的轉錄起始受到抑制。誘導物通過與阻遏物結合，改變其三維構象，使之不能與操縱區相結合，誘發lacmRNA的合成。第二節乳糖操縱子2023/11/4182.1.lac操縱子的本底水平表達兩個矛盾：誘導物需要穿過細胞膜才能與阻遏物結合，而轉運誘導物需要轉運酶，轉運酶的合成有需要誘導。人們發現乳糖并不與阻遏物相結合，真正的誘導物是異構乳糖，而后者是在β-半乳糖苷酶的催化下由乳糖形成的。解釋：在沒有誘導物的情況下，轉運酶和β-半乳糖苷酶仍有本地水平的表達。阻遏物的結合并非絕對緊密，偶爾會掉下，使得轉錄可以進行。表達量足以使誘導過程得以啟動。第二節乳糖操縱子2023/11/4192.2.大腸桿菌對乳糖的反應在以甘油為碳源的培養基中加乳糖以前，lac操縱子本底水平表達加乳糖后，阻遏物失活，mRNA大量表達乳糖耗盡，阻遏物濃度逐漸大于異構乳糖，阻遏狀態重新形成，mRNA水平下降。β-半乳糖苷酶半衰期長，其活性下降滯后。第二節乳糖操縱子2023/11/4202.3.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永久型合成的，該阻遏蛋白有4個相同的亞基，每個亞基均含有347個氨基酸殘基，并能與1分子IPTG

結合,每個細胞中有5～10個阻遏物分子。lacI基因由弱啟動子變為強啟動子，細胞內將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將不可誘導。第二節乳糖操縱子2023/11/4南京農業大學生命科學學院212.4.葡萄糖對lac操縱子影響β-半乳糖苷酶在乳糖代謝中的作用是把前者分解成葡萄糖及半乳糖。如果將葡萄糖和乳糖同時加入培養基中，大腸桿