02诱导机制(操纵子转录)
酶合成的调节
酶合成的阻遏Enzyme Repression：
1.终产物的阻遏：(end product repression):（ 反馈阻
遏) 即在合成代谢中，终产物阻遏该途径 所有酶的合成。 为基因表达的控制 。 如：色氨酸(Try)合成的调控(正调节)
Figure 5. Genetic organization of the Trp operon and its control elements
P = Promoter specific nucleotide sequence on DNA to which RNA polymerase binds to initiate transcription. (The promoter site of the lac operon is further divided into two regions, an upstream region called the CAP site, and a downstream region consisting of the RNAp interaction site. The CAP site is involved in catabolite repression of the lac operon.). If the Repressor protein binds to the operator, RNAp is prevented from binding with the promoter and initiating transcription. Under these conditions the enzymes concerned with lactose utilization are not synthesized.
02色氨酸操纵子的调控模式
1．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
▪ 另有一个缺失前导区及D基因的突变体 （trpΔLD102），该细菌在有色氨酸的培养 基中仍有很高的色氨酸合成酶活性。
TrpΔED53中L不缺失（弱化子存在）， trpΔLD102中L缺失（弱化子不存在），缺失前 导区后的表达比有前导区的表达要高得多，充分 说明trp操纵子的表达调控除阻遏作用外，还受到 前导区的影响，失去了这个因素就失去了一个调 控机制。
二、 色氨酸操纵子的调控模式
▪ 色氨酸操纵子(tryptophane operon)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。
▪ 当培养基中色氨酸的浓度很低时，负载有色氨酸的 tRNATrp也就少，这样翻译通过两个相邻色氨酸密 码子的速度就会很慢，当4区被转录完成时，核糖 体才进行到1区（或停留在两个相邻的trp密码子 处），这时的前导区结构是2-3配对，不形成3-4配 对的终止结构，所以转录可继续进行，直到将trp操 纵子中的结构基因全部转录。
▪ 细菌中为什么要有弱化子系统呢？ 一种可能是阻遏物从有活性向无活性的转变速度极 低，需要有一个能更快地做出瓜的系统，以保持培 养基中适当的色氨酸水平。或者，弱化子系统主要 是对外源色氨酸浓度做出反应。外源色氨酸浓度很 低的信号虽然足以引起trp操纵子的去阻遏作用，但 是这个信号还不足以很快引发内源色氨酸的合成。 在这种环境下，弱化子就通过抗终止的方法来增加 trp基因表达，从而提高内源色氨酸浓度。
典型乳糖操纵子的诱导原理
根据生物对内外环境刺激的反应，将基 因表达的方式分为：
组成型表达 诱导和阻遏表达
组成型表达 （constitutive gene expression）
在个体发育的任一阶段都能在 大多数细胞中持续进行的基因表达， 无论表达的水平高或低，它受环境因 素的影响较少、或变化很小。 且基
因表达产物通常是对生命过程必需的、 必不可少的，这类基因通常被称为持 家基因（housekeeping gene）。
诱导和阻遏表达
➢ 诱导（induction）：在特定的环境信号刺激下，相应基因被激活，从 而使基因的表达产物增加。这类基因称为可诱导基因。
➢ 可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为诱导 (induction)。
乳糖 → 利用乳糖的三种酶表达
➢ 阻遏（repression）：在特定环境信号刺激下，相应基因被抑制，从而使基 因的表达产物减少。这类基因称为可阻遏基因。
乳糖操纵子的CAP正调控
（Positive Control of CAP）
当CAP与CAP结合位点这段序列结合时，可 激活RNA转录酶活性，使之提高50X
葡萄糖→ → → → →降解产物
ATP → →cAMP → →5’AMP
CRP（非活性状态） → →CAP（活性状态）
DNA
乳糖操纵子的CAP正调控
▪ 由于Plac是弱启动子，单纯因乳糖的存在发 生去阻遏使lac操纵元转录开放，还不能使细 菌很好利用乳糖，必需同时有CAP来加强转 录活性，细菌才能合成足够的酶来利用乳糖。
基因表达调控课堂练习 参考答案
《基因表达调控》部分课堂练习题学号：姓名：一、填空题。
1.不同的生物使用不同的信号来指挥基因调控。
在原核生物中，__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。
2.操纵子学说是关于原核生物基因结构和表达调控的学说，由法国巴斯德研究所科学家__Jacob__和__Monod__在1961年首先提出，后经许多学者补充修正得以逐步完善。
3.大肠杆菌乳糖操纵子包括三个结构基因：__lacZ__、__lacY__和__lacA__，以及__启动子__、操纵基因和__阻遏子__。
4.在葡萄糖存在时，即使在细菌培养基中加入乳糖、半乳糖、阿拉伯糖等诱导物，与其对应的操纵子也不会启动而产生出代谢这些糖的酶，这种现象称为__葡萄糖抑制效应__。
由于葡萄糖对乳糖操纵子表达的抑制是间接的，是葡萄糖的降解产物抑制了lac mRNA的合成，所以又称为__降解物抑制作用__或__代谢物阻遏效应__。
5.对于大肠杆菌乳糖操纵子而言，乳糖并不与阻遏物相结合，真正的诱导物是乳糖的异构体__异构乳糖__，它是在β-半乳糖苷酶的催化下由乳糖形成的。
6.能够诱导操纵子但不是代谢底物的化合物，如异丙基巯基半乳糖苷（IPTG）和巯甲基半乳糖苷（TMG），称为___义务（安慰性）___诱导物。
色氨酸是一种调节分子，被称为__辅阻遏物___。
7.大肠杆菌中，色氨酸操纵子的转录调控除了阻遏系统外，还有__弱化系统__。
8.色氨酸操纵子的弱化机制主要涉及__茎-环__的结构，它是一段可以通过自我配对形成__弱化子__的mRNA区域，具有典型的终止子特点。
前导区的碱基序列以不同的方式进行碱基配对，在前导肽基因中有2个相邻的__色氨酸__密码子，所以前导肽的翻译对__色氨酸-tRNA Trp_的浓度敏感，弱化子对RNA聚合酶的影响依赖于前导肽中__核糖体__所处的位置，实现对转录过程的调节。
微生物的代谢调节机制
控制，其基因调控比较简单。不同染色体数
2. 真核生物基因的转录在核，转录在胞
目为 1。
质中。基因在核内形成前体 mRNA 与胞质成
2. 没 有 膜 分 隔 ， 原 核 生 物 基 因 转 录 熟的 mRNA 不共线。必须有穿核膜运输和加
MRNA 时，出现边转录，边翻译，其基因转 工过程。即先按 DNA 模板转录出初级转录物
微生物的代谢调节机制
第一节 微生物细胞中代谢调节的 部位与举措
一、原核微生物细胞的代谢调节部位
图 2—1 原核微生物细胞的代谢调节部位（模式图） 1-可溶性营养物质或代谢产物的跨膜传送 2-代谢途径的酶催化作用 3-酶和载体蛋白的合成
（一）与细胞质膜密切相关的调节
1. 膜的脂质（磷脂及其它脂类）的分子结构，以 及环境条件（如离子强度、温度、pH等）对膜 脂质理化性质的影响。
L-Ara 1 L-Ru 2 L-Ru-5-○P 3 D-Xu-5-○P 1——L-阿拉伯糖异构酶 2——核酮糖酸酶 3——5-○P 核酮糖差向异构酶
图 2-11 ara 操纵子上游调控区序列与功能分析
图2-12 阿拉伯糖对ara操纵子araC位点的调控作用
（三）诱导物的种类
诱导分解代谢酶类属于诱导酶的范畴。 例如，淀粉酶是由淀粉诱导合成的，蔗糖 酶与脲酶分别由蔗糖和尿素诱导。细胞在 代谢过程中生成的产物也可以作为诱导物。 荧光假单孢菌在色氨酸大量存在时。色氨 酸的代谢产物——犬尿酸便可诱导分解色 氨酸的酶系。
图 2-16 Trp 弱化子 mRNA 的终止区
（二）机制 (1)转录弱化作用的调控
A.当trp缺乏时（低水平的trp 时） B. Trp浓度很高时
图 2-17 trp 操纵子的转录与翻译调控
54第五讲第四节 原核细胞的转录调控Ⅱ——色氨酸操纵子-讲义-R
上堂糖的吸收1、色氨酸色氨往往会通酸时，细担。
细菌色氨操纵子自谢有关的它不受葡2、色氨酸在色酸所需要A 等头尾基因群，和操纵基因trp R 的在其自身性方式低堂课我们谈收和利用。
酸操纵子概氨酸是构成通过自己合细菌会充分菌所以能做氨酸操纵子自动关闭，的某种物质葡萄糖或c 酸操纵子的色氨酸操纵要酶类的基尾相接串连受其上游基因trp O 的位置远身的启动子低水平表达谈到了乳糖这堂课，概述成蛋白质的合成色氨酸分利用外界做到这点是子负责色氨缺乏色氨质在阻遏过AMP ‐CAP 的负调控纵子上，合基因E 、D 、连排列组游的启动子的调控。
离结构基子作用下达分子量为糖操纵子我们来看的组分，由酸来满足生界的色氨酸是因为有色氨酸的生物氨酸时操纵过程中起作的调控。
阻遏系统合成色氨C 、B 、成结构子trp P调控基基因群，以组成为47KD这个负调看看色氨酸由于环境难生存繁殖需酸、减少或色氨酸操纵物合成，当纵子被打开作用。
由于统调控诱导系酸操纵子难以给细菌需要。
但是或停止合成纵子(trp o 当培养基中开，trp 基于trp体系系统能够调有什么特菌提供足是，一旦环成色氨酸operon)的中有足够基因表达，系参与生物调控大肠特点。
足够的色氨环境能够，以减轻的调控。
够的色氨酸，色氨酸物合成而不杆菌对乳氨酸，细菌够提供色氨轻自己的负酸时，这个酸或与其代不是降解，乳菌氨负个代，的调控蛋酸时，Tr 结合，阻控阻遏系3、色氨酸实验到一定浓氨酸合成是怎么回研究(attenuat调节控制蛋白TrpR 。
pR 才与色阻遏结构基系统对色氨酸操纵子的验观察表明浓度，却还成酶类的量回事呢？究发现，这tor)有关。
制衰减子内TrpR 并没色氨酸结合基因的转录氨酸来说是的衰减子明：当存在还没有高到量已经明显这种精细衰减子是内部终止所没有与O 合发生构象录，因此色是一个一级调控机制在充足的色到能够活化显降低，而水平的调是位于转录所需的发夹结合的活象变化而色氨酸操纵级开关，主制色氨酸时，化阻遏蛋白而且产生的调控与色氨录开始区的夹结构的形活性，当环活化，从纵子属于一主管转录是，终止作用白使其起阻的酶量与色氨酸操纵的一种内部形成，从而环境能提供从而与操纵一种负调是否启动，用是有效阻遏作用色氨酸浓纵子中特殊部终止子而调控转录供足够浓纵基因trp 控阻遏系，相当于粗的。
典型乳糖操纵子的诱导原理
个共同的控制区来操纵这些基因的表达，包含这些结构基因和控制区的整个核苷 酸序列就称为操纵子。
乳糖操纵子的结构和功能
操纵子的组成：
▪ ----结构基因(structural gene, SG) ：操纵元中被调控的编码蛋白质的基因 ▪ ----启动子(promoter，P)：是指能被RNA聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段DNA
乳糖操纵子的CAP正调控
（Positive Control of CAP）
当CAP与CAP结合位点这段序列结合时，可 激活RNA转录酶活性，使之提高50X
葡萄糖→ → → → →降解产物
ATP → →cAMP → →5’AMP
CRP（非活性状态） → →CAP（活性状态）
DNA
乳糖操纵子的CAP正调控
诱导和阻遏表达
➢ 诱导（induction）：在特定的环境信号刺激下，相应基因被激活，从 而使基因的表达产物增加。这类基因称为可诱导基因。
➢ 可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为诱导 (induction)。
乳糖 → 利用乳糖的三种酶表达
➢ 阻遏（repression）：在特定环境信号刺激下，相应基因被抑制，从而使基 因的表达产物减少。这类基因称为可阻遏基因。
乳糖操纵子的结构和功能
▪ 当一个mRNA含有编码一个以上蛋白质的编码信息，而且这些蛋白质
都是以独立的多肽被翻译时，这样的mRNA称之多顺反子mRNA。
▪ 多顺反子mRNA在细菌中是很普遍的。 ▪ 多顺反子lac mRNA中的lacZ，lacY，lacA经翻译生成的产物分
别生成代谢分解乳糖的三种酶
▪ 始终存在着一定的比例关系( Z : Y : A = 5 : 2 : 1 )
03酶合成的诱导实例及机制
L-Ara 1 L-Ru 2 L-Ru-5-○P 3 D-Xu-5-○P 1——L-阿拉伯糖异构酶 2——核酮糖酸酶 3——5-○P 核酮糖差向异构酶
图 2-11 ara 操纵子上游调控区序列与功能分析
图2-12 阿拉伯糖对ara操纵子araC位点的调控作用
微生物学
Chapter 3 微生物的代谢调节机制
(二) 酶合成的诱导（转录的负控诱导和正控诱 导）实例及机制
实例 （1）酶合成的负诱导机制（大肠杆菌乳糖操纵子）
图 2-8 lac 操纵子及各个组分祥图
（2）转录的正控诱导 麦芽糖操纵子
图 2-10 麦芽糖正控诱导系统
机制 转录的正负诱导调控
纤维素
2-脱氧葡萄糖-β-葡萄糖苷
（四）诱导调节的克服
只有需要时才合成所需的酶是微生物应有的、 正常的调节机制。如不设法绕过这种机制，就难 于使所需要的诱导酶大量生产。据此，我们可采 用诱变方法，借强力因素诱变，引起突变，消除 诱导酶，合成所必需依赖诱导物这种障碍，如突 变不是发生在结构基因上，而是发生在调节基因 或操纵基因上，从而导致调节基因编码的阻遏物 （阻遏蛋白）无活性，或操纵基因对活性阻遏物 的亲和力衰退，则无需诱导物便能产生诱导酶， 这种突变作用称为调节性或组成型突变。具有这 种特性的菌株称为组成型突变株。
异麦芽糖
产气克氏杆菌
支链淀粉
麦芽糖
白地霉
脂质
脂肪酸
Acrocylindrium.s.p 多聚半乳糖醛酸
半乳糖醛酸
假单孢菌属
色氨酸
犬尿氨酸
产气克氏杆菌
组氨酸
尿氨酸
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（一）诱导机制（操纵子转录）
1. 操纵子（元）Operen 所谓操纵子（元）是指结构上、功能上、协
同作用的相关基因组成的一个片段（区域）。操 纵子假说认为：编码一系列功能相关的酶的基因 在染色体中紧密排列在一起，且它们的表达与关纵子（元）至少由4个基因（部分）组成。 （1）调节基因（R.I.C）（Regulatory gene) （2）操纵基因（Operator gene） （3）结构基因（Structural gene） （4）启动基因（Promoter gene）
图 2-5 DNA 结合蛋白的螺旋-转角-螺旋（HTH）结构
图 2-6 锌指蛋白结构
图 2-7 亮氨酸拉扣蛋白质结构
（4）启动基因（Promoter gene）
启动子（基因）含有两个和RNA多聚酶结合的顺序， 一个集中在RNA多聚酶起始位置前约10个碱基对，另一 个则集中在这个位置前35个碱基对，当RNA多聚酶与启 动子接触并结合上去，mRNA合成即开始。
如阻遏物（阻遏调节蛋白）与Operator gene 结合， 则RNA聚合酶就不能和Operator gene 结合，就不能向 前移动，也就不能转录出互补于结构基因（S）的DNA
微生物学
Chapter 3 微生物的代谢调节机制
第二节 酶合成的调节机制
酶合成调节机制主要有：
1.酶的诱导负向控制（如乳糖对β-半乳糖 苷酶）与正向控制。
2.终产物阻遏作用和弱化调节。 3.分解代谢物阻遏（如葡萄糖对β-半乳糖
苷酶的阻遏）。 4.转录后的调节。
一、诱导作用（酶合成的诱导作用）
是指培养基中某种基质与微生物接触而 增加（诱导）细胞中相应酶的合成速率。诱 导的生理作用是可以保证能量与氨基酸不浪 费，不把它们用于合成那些暂时无用的酶上， 只有在需要时细胞才迅速合成它们。
2.正作用调节蛋白（Positire-acting-protein）, 此种调节蛋白也称为激活因子（Actiration）。
（2）操纵基因（Operator gene）
是操纵子中一个成员，它能控制决定蛋 白质（酶）的氨基酸顺序的一整套结构基因 的转录，而操纵基因可受调节基因产生的阻 遏物所阻遏，许多情况下，单个操纵基因可 以控制一个或一个以上（多个）结构基因。
顺序的mRNA。也就没有酶的生成。而在E.coli中启动
基因必须经过（环化AMP受体蛋白复合物）的激活后， 才能启动。
这些基因形成整套调节控制机制，才能使生命系统 在功能上有序、有效及开放。
2、 DNA与蛋白（阻遏蛋白）的结合
蛋白质与核酸的相互作用一般可分为非专 一性，蛋白质可以结合到核酸的任何部位；专 一性，蛋白质结合到特定的核酸的部位。
（1）调节基因（R.I.C ）（Regulatory gene)
它能编码、调节（阻遏）蛋白，现发现有两种 调节蛋白：
1. 阴 性 （ 负 作 用 ） 调 节 蛋 白 （ Negatire-acting protein ） ， 此 种 调 节 蛋 白 也 称 为 阻 遏 物 （Repressor）。
（3）结构基因（Structural gene）
是指在操纵基因邻近（一般在下游处）存在 一个或多个基因，它编码不起调控转录作用的蛋 白质，如酶、膜蛋白和核糖体等。一部分结构基 因的RNA合成速度精确地被控制，但许多结构 基因以一种（或多或少）不变的速度持续地转录 DNA 上 的 遗 传 信 息 ， 生 成 相 应 的 信 使 RNA （mRNA）进而转译成特定的酶（蛋白质）。