【正文】 ? 大腸桿菌乳糖操縱子有 3個結(jié)構(gòu)基因 ， 編碼 3種酶， 分別為： ? β半乳糖苷酶基因（ lac Z），功能： 將乳糖水解為葡萄糖和半乳糖 ，分子量約 500kD，四聚體； ? β半乳糖苷透性酶的基因（ lac Y），分子量為 30kDa的膜結(jié)合蛋白，能促進(jìn) β半乳糖苷進(jìn)入細(xì)胞； ? β半乳糖苷轉(zhuǎn)乙?；富颍?lacA），催化將乙?；鶊F(tuán)從乙酰輔酶 A轉(zhuǎn)移到 β半乳糖苷分子上。 ? 操縱子中的全部結(jié)構(gòu)基因 由同一個啟動子起始轉(zhuǎn)錄成為一條多順反子 mRNA， 由于他們受相同調(diào)控組件的調(diào)節(jié)，所以 從結(jié)構(gòu)上可將它們看作同一整體。 2022/2/14 分子生物學(xué) 原核基因表達(dá)調(diào)控 操縱基因 一般位于操縱子上游，其功能是 與阻遏蛋白結(jié)合控制結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。這樣的控制單元就是操縱子。 ? 如，同一個代謝途徑的酶的基因一般成簇排列。 ? 由于這項重大貢獻(xiàn)他們獲得了 1965年的諾貝爾獎。 2022/2/14 分子生物學(xué) 原核基因表達(dá)調(diào)控 ? 通過 調(diào)節(jié)基因編碼的調(diào)節(jié)蛋白或與誘導(dǎo)物、輔阻遏物協(xié)同作用，開啟或關(guān)閉操縱基因，對操縱子結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)進(jìn)行正、負(fù)控制。 調(diào)節(jié)蛋白兩種類型 :正調(diào)節(jié)蛋白 【 激活蛋白 】 負(fù)調(diào)節(jié)蛋白 【 阻遏蛋白 2022/2/14 分子生物學(xué) 原核基因表達(dá)調(diào)控 6 操縱子學(xué)說（ theory of operon） ? 操縱子學(xué)說 是關(guān)于原核生物基因結(jié)構(gòu)及其表達(dá)調(diào)控的學(xué)說。 2022/2/14 分子生物學(xué) 原核基因表達(dá)調(diào)控 5 組成型蛋白和調(diào)節(jié)蛋白 ? 組成型蛋白（管家蛋白 ） ： 細(xì)胞內(nèi)有許多種蛋白質(zhì)的數(shù)量幾乎不受外界環(huán)境的影響。 ? 阻遏蛋白（ aporepressor）是負(fù)調(diào)控系統(tǒng)中由調(diào)節(jié)基因編碼的調(diào)節(jié)蛋白，它本身或與輔阻遏物（ corepressor）一起結(jié)合于操縱基因，阻遏操縱子結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。 2022/2/14 分子生物學(xué) 原核基因表達(dá)調(diào)控 4 操縱基因和阻遏蛋白 操縱基因 (operator)是操縱子中的控制基因，在操縱子上一般與啟動子相鄰，通常處于開放狀態(tài)，使 RNA聚合酶通過它作用于啟動子而啟動轉(zhuǎn)錄。 ? 調(diào)節(jié)物與 DNA特定位點(diǎn)的相互作用能以正調(diào)控的方式 (啟動或增強(qiáng)基因表達(dá)活性 )調(diào)節(jié)靶基因，也能以負(fù)調(diào)控的方式 (關(guān)閉或降低基因表達(dá)活性 )調(diào)節(jié)靶基因。 ? 結(jié)構(gòu)基因編碼大量功能各異的蛋白質(zhì)，其中有組成細(xì)胞和組織器官基本成分的結(jié)構(gòu)蛋白、有催化活性的酶和各種調(diào)節(jié)蛋白等。 2022/2/14 分子生物學(xué) 原核基因表達(dá)調(diào)控 3 結(jié)構(gòu)基因和調(diào)節(jié)基因 ? 結(jié)構(gòu)基因 (structural gene)是編碼蛋白質(zhì)或RNA的基因。 2022/2/14 分子生物學(xué) 原核基因表達(dá)調(diào)控 ? 順式作用組件 是指對基因表達(dá)有調(diào)節(jié)活性的DNA序列，其 活性只影響與其自身同處在一個 DNA分子上的基因；這種 DNA序列通常不編碼蛋白質(zhì)，多位于基因旁側(cè)或內(nèi)含子中。 ? 反式作用因子的編碼基因與其識別或結(jié)合的靶核苷酸序列不在同一個 DNA分子上。 ? 基因編碼產(chǎn)物主要是蛋白和各種 RNA分子。 ? 細(xì)菌細(xì)胞在不同的環(huán)境條件下所含酶的種類和數(shù)量改變很大。 2022/2/14 分子生物學(xué) 原核基因表達(dá)調(diào)控 原核基因表達(dá)調(diào)控的 幾個重要概念 1. 細(xì)菌對營養(yǎng)的適應(yīng) ? 為了生存，細(xì)菌必須能適應(yīng)廣泛變化的環(huán)境條件 ,包括營養(yǎng)、水分、溶液濃度、溫度、 pH等。 2022/2/14 分子生物學(xué) 原核基因表達(dá)調(diào)控 ? 二是在 mRNA合成后， 控制從 mRNA 翻譯成多肽鏈的速度， 包括一些與翻譯有關(guān)的酶及其復(fù)合體分子（如核糖體）締合的裝配速度等過程。 2022/2/14 分子生物學(xué) 原核基因表達(dá)調(diào)控 ? 細(xì)胞要控制各種蛋白質(zhì)在不同時期的表達(dá)水平，有 兩條途徑： ? 一是 細(xì)胞控制從其 DNA模板上轉(zhuǎn)錄其特異的 mRNA的速度， 這是一條經(jīng)濟(jì)的途徑，可減少從 mRNA 合成蛋白質(zhì)的小分子物質(zhì)消耗，這是生物在長期的進(jìn)化過程中自然選擇的結(jié)果。 ? 調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平，有正、負(fù)調(diào)控兩種機(jī)制。 2022/2/14 分子生物學(xué) 原核基因表達(dá)調(diào)控 原核基因表達(dá)調(diào)控的 特點(diǎn)與方式 ? 原核基因表達(dá)調(diào)控 存在于轉(zhuǎn)錄和翻譯的起始、延伸和終止的每一步中。 2022/2/14 分子生物學(xué) 原核基因表達(dá)調(diào)控 ? 即使細(xì)胞攜帶著基本相同的基因，但同一有機(jī)體各個細(xì)胞的形態(tài)和功能都不一樣，基因表達(dá)的水平也不盡相同。 ? 而與生物發(fā)育過程有關(guān)的基因則要在特定的時空才表達(dá)，還有許多基因被暫時的或永久的關(guān)閉而不表達(dá)，只在合適的時期才表達(dá)。 基因表達(dá)調(diào)控是生物體內(nèi) 細(xì)胞分化、形態(tài)發(fā)生和個體發(fā)育的分子基礎(chǔ)。第 10 章 原核基因表達(dá)調(diào)控 2022/2/14 分子生物學(xué) 原核基因表達(dá)調(diào)控 原核生物基因表達(dá)調(diào)控 概述 基因表達(dá)調(diào)控 是生物體內(nèi)基因表達(dá)的調(diào)節(jié)控制機(jī)制，是細(xì)胞中基因表達(dá)的過程在時間、空間上處于有序狀態(tài)，幷對環(huán)境條件的變化作出適當(dāng)反應(yīng)的復(fù)雜過程。 2022/2/14 分子生物學(xué) 原核基因表達(dá)調(diào)控 ? 基因表達(dá)的調(diào)控可在 多個層次上進(jìn)行，包括基因水平、轉(zhuǎn)錄水平、轉(zhuǎn)錄后水平、翻譯水平和翻譯后水平的調(diào)控。 2022/2/14 分子生物學(xué) 原核基因表達(dá)調(diào)控 ? 在生物體生命活動中 ,幷不是所有的基因都同時表達(dá)，代謝過程中所需要的各種酶和蛋白質(zhì)基因以及構(gòu)成細(xì)胞化學(xué)成份的各種編碼基因，正常情況下是經(jīng)常表達(dá)的。 2022/2/14 分子生物學(xué) 原核基因表達(dá)調(diào)控 例如 : ? 與植物發(fā)育的形態(tài)建成有關(guān)基因在植物發(fā)育的各個不同階段按一定時序特異表達(dá)，才能發(fā)育成熟 ,與開花有關(guān)的基因也只有在開花前才表達(dá)，而在植物營養(yǎng)體生長時全部被關(guān)閉； ? 在昆蟲發(fā)育變態(tài)過程的各種基因要在一定發(fā)育階段（如幼蟲、蛹、成蟲）才能表達(dá)。 ? 正是因為生物體能夠根據(jù)其本身固有的遺傳信息表達(dá)與調(diào)控，以及對環(huán)境的適應(yīng)，才產(chǎn)生了各種特異功能的蛋白分子來體現(xiàn)生命現(xiàn)象和執(zhí)行生物功能，使得從低等到高等的生物界呈現(xiàn)出五彩繽紛的生命現(xiàn)象。 這種調(diào)控多 以操縱子為單位進(jìn)行， 將功能相關(guān)的基因組織在一起，同時開啟或關(guān)閉基因表達(dá)，既經(jīng)濟(jì)有效，又保證其生命活動的需要。 ? 在轉(zhuǎn)錄水平上對基因表達(dá)的調(diào)控決定于 DNA 的結(jié)構(gòu)、 RNA 聚合酶的功能、蛋白因子及其它小分子配基的相互作用。 ? 這種控制稱為 轉(zhuǎn)錄水平 的調(diào)控，大多數(shù)基因表達(dá)都屬之。 ? 這種蛋白質(zhì)合成及基因表達(dá)的控制稱為 翻譯水平 的調(diào)控。 ? 而這些條件須通過細(xì)胞內(nèi)各種生化反應(yīng)途徑，為細(xì)胞的生長繁殖提供能量和構(gòu)建細(xì)胞組分所需的小分子化合物。 2022/2/14 分子生物學(xué) 原核基因表達(dá)調(diào)控 2 順式作用組件和反式作用因子 ? 基因活性的調(diào)節(jié)主要通過反式作用因子與順式作用組件的相互作用而實現(xiàn)。 ? 一般是從其合成場所擴(kuò)散至發(fā)揮作用的地方。 ? RNA聚合酶是典型的反式作用因子。 ? 位于轉(zhuǎn)錄單位開始和結(jié)束位置上的啟動子和終止子，都是典型的順式作用元件。 ? 細(xì)菌的結(jié)構(gòu)基因 一般成簇排列，多個結(jié)構(gòu)基因受單一啟動子共同控制，使整套基因或都表達(dá)或者都不表達(dá)。 2022/2/14 分子生物學(xué) 原核基因表達(dá)調(diào)控 ? 調(diào)節(jié)基因 (regulator gene)是編碼合成參與基因表達(dá)調(diào)控的 RNA和蛋白質(zhì)的特異 DNA序列 ? 調(diào)節(jié)基因編碼的調(diào)節(jié)物通過與 DNA上的特定位點(diǎn)結(jié)合控制轉(zhuǎn)錄是調(diào)控的關(guān)鍵。 ? DNA位點(diǎn)通常位于受調(diào)節(jié)基因的上游，但有時也有例外。 2022/2/14 分子生物學(xué) 原核基因表達(dá)調(diào)控 ? 但當(dāng)它與調(diào)節(jié)基因所編碼的阻遏蛋白結(jié)合時，就從開放狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)閉狀態(tài)，使不能轉(zhuǎn)錄過程不能發(fā)生。 ? 阻遏蛋白可被誘導(dǎo)物變構(gòu)失活，從而導(dǎo)致不可阻遏或去阻遏。 ? 誘導(dǎo)型蛋白 ? 調(diào)節(jié)蛋白 是一類特殊蛋白質(zhì)，它們可以影響一種或多種基因的表達(dá)。 ? 操縱子是原核生物在分子水平上基因表達(dá)調(diào)控的單位，由調(diào)節(jié)基因、啟動子、操縱基因和結(jié)構(gòu)基因等序列組成。 ? 操縱子學(xué)說最早由法國巴斯德研究院的 Jacob和 Monod 在 1961年提出， 從此開創(chuàng)了從分子水平認(rèn)識基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制的新領(lǐng)域。 2022/2/14 分子生物學(xué) 原核基因表達(dá)調(diào)控 ? 在細(xì)菌基因組中，編碼功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)蛋白基因通常成簇排列在一起。除了參與代謝途徑的酶以外，其它與該途徑有關(guān)的蛋白質(zhì)的基因也可能包括在此控制單元內(nèi)。 2022/2/14 分子生物學(xué) 原核基因表達(dá)調(diào)控 ? 細(xì)菌的操縱子是 DNA 分子上的一段區(qū)域，它包括 共轉(zhuǎn)錄到一條 mRNA分子上的多個結(jié)構(gòu)基因和這些基因轉(zhuǎn)錄所需的順式作用序列，包括啟動子、操縱基因和轉(zhuǎn)錄調(diào)控有關(guān)的序列等，其中結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄受到操縱基因控制。 因此操縱基因是順式控制組件，阻遏蛋白是調(diào)節(jié)基因表達(dá)的蛋白質(zhì)，是參與操縱子調(diào)節(jié)的反式作用因子。 ? 2022/2/14 分子生物學(xué) 原核基因表達(dá)調(diào)控 乳糖操縱子 1 乳糖操縱子調(diào)節(jié)機(jī)制 ? 大腸桿菌的乳糖操縱子 (Lactose operon， lac) 長約 5000bp，是目前對操縱子研究最詳盡的例子，也是研究轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控規(guī)律的基本模式。 2022/2/14 分子生物學(xué) 原核基因表達(dá)調(diào)控 這三個有關(guān)分解代謝的酶的基因在乳糖操縱子中成 簇排列，以利于上游調(diào)控元件的調(diào)控。 ? 當(dāng)生長在 沒有葡萄糖只有乳糖 的培養(yǎng)基中時，代謝乳糖的酶量從幾個分子迅速增加近千倍，即細(xì)菌在短時內(nèi)合成了能夠利用乳糖的一系列酶，具備了利用乳糖作為碳源的能力，在這種培養(yǎng)基上生存了下來。 ? 將以乳糖作為例子引入培養(yǎng)基中專一性地增加某些酶數(shù)量的物質(zhì)稱為 誘導(dǎo)物（ inducer） ? 這種酶稱為 誘導(dǎo)酶 (inducible enzyme) ? 這類基因為 可誘導(dǎo)基因 ? 這種代謝過程為 酶的誘導(dǎo)過程 。 ? 但將大腸桿菌轉(zhuǎn)到乳糖培養(yǎng)基中時，由于 誘導(dǎo)物分子結(jié)合在阻遏蛋白的特異部位，引起阻遏蛋白構(gòu)象改變，不能結(jié)合到操縱基因上，使 RNA 聚合酶能夠正常催化轉(zhuǎn)錄存在于操縱子上的結(jié)構(gòu)基因，即操縱子被誘導(dǎo)表達(dá)， β半乳糖苷酶分子數(shù)量迅速增加。 lacI的表達(dá)產(chǎn)物是乳糖操縱子的阻遏蛋白，它的 功能是阻止結(jié)構(gòu)基因的表達(dá) 阻遏蛋白由 4個相同亞基（ 38 kD）組成四聚體，通過與 lacZYA基因簇開始處的操縱基因結(jié)合發(fā)揮作用。 當(dāng)誘導(dǎo)物與它的結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合后，改變了阻遏 蛋白的構(gòu)型，從而影響與操縱基因結(jié)合活性。 ? lacI 基因與其后的結(jié)構(gòu)基因雖然相鄰，但它們屬于不同的轉(zhuǎn)錄單位，它有其自身的啟動子和終止序列，能獨(dú)立地進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，形成單順反子 mRNA，轉(zhuǎn)錄的速度受 lacI 基因的啟動子與 RNA聚合酶活力大小的控制。 ? 這種能誘導(dǎo)酶合成但不是半乳糖苷酶底物的分子稱為安慰 /義務(wù)誘導(dǎo)物 (gratuitous inducer)。 ? mRNA從 5ˊ 端依次翻譯，產(chǎn)物 β半乳糖苷酶、 β半乳糖苷酶透性酶和半乳糖苷轉(zhuǎn)乙?；妇来纬霈F(xiàn)，三種酶共用一條 mRNA鏈作為翻譯模板，說明在不同誘導(dǎo)條件下三種酶的數(shù)量相同。 2022/2/14 分子生物學(xué) 原核基因表達(dá)調(diào)控 2 小分子效應(yīng)物的作用 ? 原核生物操縱子 通過調(diào)節(jié)蛋白與小分子物質(zhì)間的相互作用來實現(xiàn)誘導(dǎo)狀態(tài)或阻遏狀態(tài)。 ? 細(xì)菌有兩種類型效應(yīng)物： 1）誘導(dǎo)物 2）輔阻遏物 2022/2/14 分子生物學(xué) 原核基因表達(dá)調(diào)控 1）誘導(dǎo)物 自然狀態(tài)下，阻遏蛋白結(jié)合在 DNA上，無誘導(dǎo)物時，阻遏蛋白與操縱基因 牢固結(jié)合，阻止 RNA聚合酶進(jìn)入啟動子區(qū)域，操縱子被關(guān)閉，結(jié)構(gòu)基因不能轉(zhuǎn)錄。 2022/2/14 分子生物學(xué) 原核基因表達(dá)調(diào)控 誘導(dǎo)物存在 ，與阻遏蛋白結(jié)合 ， 使后者構(gòu)象變化 ， 阻遏蛋白與操縱基因親和力下降而解離 ， 最終 ，RNA聚合酶能進(jìn)入啟動子區(qū)域 ， 開啟結(jié)構(gòu)基因表達(dá) 2022/2/14 分子生物學(xué) 原核基因表達(dá)調(diào)控 ? 由誘導(dǎo)物存在而使基因表達(dá)開放的調(diào)節(jié)稱 可誘導(dǎo)調(diào)節(jié) 。 2）輔阻遏物 ? 有些阻遏蛋白本身不具有結(jié)合操縱基因的活性，自然狀態(tài)下操縱子是開放的，能正常表達(dá) ? 當(dāng)細(xì)胞中 有輔阻遏物存在時 ， 可結(jié)合到阻遏蛋白上 ，提高阻遏蛋白與操縱基因的親和性。 2022/2/14 分子生物學(xué) 原核基因表達(dá)調(diào)控 ? 例如，在大腸桿菌的 色氨酸操縱子 中，色氨酸與其操縱子中的阻遏蛋白結(jié)合，使后者表現(xiàn)出結(jié)合操縱基因的活性，阻止了 RNA聚合酶與trp操縱子上啟動子的結(jié)合，使操縱子關(guān)閉，有關(guān)色氨酸合成的酶基因不能被轉(zhuǎn)錄。 202