第六章 细菌的基因调控

1.4.3. 弱化子的影响
• 在这种调节方式中，起信号作用的是有特殊负载的氨酰tRNA的浓度，在色氨酸操纵子中就是色氨酰-tRNA的浓度。 当操纵子被阻遏，RNA合成被终止时，起终止转录信号作 用的那一段DNA序列被称为弱化子。
• 属于这种调节方式的有：大肠杆菌中的色氨酸操纵子、苯 丙氨酸操纵子、苏氨酸操纵子、异亮氨酸操纵子和缬氨酸 操纵子以及沙门氏菌的组氨酸操纵子和亮氨酸操纵子、嘧 啶合成操纵子等等。
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1.4.2 σ因子的调控
• 大肠杆菌中基因表达调控最常见的蛋白质是σ因子，基因组 序列分析后发现存在6种σ因子，并根据其相对分子质量的 大小或编码基因进行命名，其中σ70是调控最基本的生理功 能如碳代谢、生物合成等基因的转录所必须的。
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*枯草芽孢杆菌中σ因子的更替(主要次序是σ 55, σ 28, σ 32, σ 37, σ 29 ) 使芽孢得以形成。这种级联式调控的诱导因素 是营养状况的改变, 是细菌对外界环境的一种适应机制。 *热激应答反应：存在每一种生物中。HSP70热激蛋白感受温 度变化后，调节热激应答系统的调节蛋白基因rPOH表达，产 物是σ32，其参与构成的RNA聚合酶识别热激应答基因的启动 子。
• 1.4.1 代谢物调节
–可诱导调节。是指一些基因在特殊的代谢物或化合物的 作用下，由原来关闭的状态转变为工作状态，即在某些 物质的诱导下使基因活化。这类基因中最突出的例子是 大肠杆菌的乳糖操纵子。
–可阻遏调节。这类基因平时都是开启的，处在产生蛋白 质或酶的工作过程中，由于一些特殊代谢物或化合物的 积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。比如大肠杆菌中 的色氨酸操纵子。
CAP 基因
RT
mRNA
CAP结 合部位
结构基因
P O LacZ LacY LacA T
RNA 聚合酶
基
mRNAZ mRNAY mRNAA 因
表
达
CAP
cAMP - CAP
葡萄糖降解物与cAMP的关系
降低cAMP浓度 cAMP 使CAP呈失活状态
CAP：降解物基因活化蛋白（catabolic gene activation protein）
（2）基因调控（gene regulation）指对基因表达过程 的调节。
（3）基因表达的蛋白质被分为组成型（constitutive） 合成的蛋白质和适应型或调节型（adaptive or regulated）合成蛋白质。
• 1.2 基因调控方式
1.2.1 转录水平上的调控：操纵子调控、双组份元件调 控、群体密度感应调控。 • 在转录水平上对基因表达的调控决定于DNA的结构、RNA聚 合酶的功能、蛋白因子及其他小分子配基的相互作用。
阻
诱导物 诱导
失活的阻遏物
失活的活性蛋白 阻遏
活化的激活蛋白 诱导物
诱导
Trp O
遏 失活的活性蛋白
诱导
辅-阻遏物 阻遏
活化的激活蛋白 诱导
辅-阻遏物
失活的活性蛋白
阻遏

图 16-1 原核生物结构基因的 4 种表达调控类型 (仿 B.Lewin:《GENES》Ⅵ,1997, Fig .12.21)
1.4 基因调控的影响因素
• 转录与翻译的特点：
–细菌的转录与翻译过程几乎发生在同一时间间隔内， 转录与翻译相耦联。
1.2.2 转录后水平上的调控：mRNA加工成熟水平调控、 翻译水平调控
1.3 细菌基因调控分类
• 细菌在转录水平上的基因调控，根据调控机制的不同可分 为负转录调控和正转录调控。
–在 负 转 录 调 控 系 统 中 ， 调 节 基 因 的 产 物 是 阻 遏 蛋 白 (repressor)。根据其作用特征又可分为负控诱导系统 和负控阻遏系统二大类。
• 2.11 lac 操纵子小结
–通常情况（葡萄糖供应正常）阻遏蛋白与操纵序列结 合，基因不转录。
二、乳糖操纵子
• 2.1 操纵子概念
• 1961年，Jacob和Monod提出了操纵子模型，这是与特 殊代谢途径有关的基因转录的协同调控模型。
• 操纵子：原核生物细胞中，功能相关的基因组成操纵 子结构，由操纵区与一个或几个结构基因联合起来， 形成一个结构上、功能上协同作用的整体，受统一调 节基因和启动区的调控。
– β-半乳糖苷酶是一种β-半乳糖苷键的专一性酶，除能将 乳糖水解成葡萄糖和半乳糖外，还能水解其他β-半乳糖 苷（如苯基半乳糖苷）。
– β-半乳糖苷透过酶的作用是使外界的β-半乳糖苷透过大 肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。
– β-半乳糖苷乙酰基转移酶的作用是把乙酰辅酶A上的乙 酰基转移到-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。
–在 正 转 录 调 控 系 统 中 ， 调 节 基 因 的 产 物 是 激 活 蛋 白 (activator)。也可根据激活蛋白的作用性质分为正控 诱导系统和正控阻遏系统。
转录激活 转录抑制
阻遏蛋白 负控诱导 负控阻遏
激活蛋白 正控诱导 正控阻遏
负调控
Lac O
诱
正调控 Ara O
导 阻遏物 阻遏
– 当氨基酸饥饿时，细胞中便存在大量的不带氨基酸的tRNA， 这种空载的tRNA会激活焦磷酸转移酶，使ppGpp大量合成。
– ppGpp 的 出 现 会 关 闭 许 多 基 因 ， 以 应 付 这 种 紧 急 状 况 。 ppGpp 影响RNA聚合酶与这些基因转录起始位点的结合，使 基因被关闭。
– ppGpp与pppGpp的作用范围十分广泛，它们影响一大批操纵 子而被称为超级调控因子。
• lac操纵子阻遏物mRNA是由弱启动子控制下永久型合成的， 该阻遏蛋白有4个相同的亚基，每个亚基均含有347个氨基酸 残基，并能与1分子IPTG 结合,每个细胞中有5～10 个阻遏物分子。
❖ lacI基因由弱启动子变为 强启动子，细胞内将不可 能产生足够的诱导物来克 服阻遏状态，整个lac操纵 子在这些突变体中将不可 诱导。
❖ 将细菌放在含葡萄糖的培 养基中培养，cAMP的浓 度就低；如果培养基中只 有甘油或乳糖等不进行糖 酵解途径的碳源，cAMP 的浓度就会很高。
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• 大肠杆菌中的代谢物激活蛋白，由Crp基因编码，能与 cAMP形成复合物。CRP和cAMP都是合成lac mRNA所必 需的，cAMP-CRP是一个不同于阻遏物的正调控因子，而 lac操纵子的功能是在这两个相互独立的调控体系作用下 实现的。
操纵子是基因表达和调控的单元，典型的操纵子包括:
结构基因（除调节基因以外的所有基因），编码那些在 某一特定的生物合成途径中起作用的、其表达被协同调 控的酶。
调控元件，如操纵序列，是调节结构基因转录的一段 DNA序列。
调节基因，其产物能够识别调控元件，例如阻抑物，可 以结合并调控操纵基因序列。
2.2 乳糖操纵子结构
• 半乳糖、麦芽糖、阿拉伯糖、山梨醇等在降解过程中均转 化成葡萄糖或糖酵解途径中的其他中间产物，这些糖代谢 中有关的酶都是由可诱导操纵子控制的，被称为降解物敏 感型操纵子，由cAMP-CRP调控。
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• cAMP-CRP复合物与启动子区的结合是lac mRNA合成起始 所必需的，因为这个复合物结合于启动子上游，能使DNA 双螺旋发生弯曲，有利于形成稳定的开放型启动子-RNA聚 合酶结构。阻遏物则是一个抗解链蛋白，阻止形成开放结 构，从而抑制RNA聚合酶的功能。
β-半乳糖苷酶和透过酶。
2.3.2 lac体系受调控实验证据二
• 用32P标记的mRNA与模板DNA进行定量分子杂交，表明培养基 中加入乳糖1～2分钟后，编码β-半乳糖苷酶和透过酶的
lac mRNA量就迅速增加，去掉乳糖后，量立即下降。
2.4 操纵子模型及其影响因子
• 乳糖操纵子的控制模型：
–Z、Y、A基因产物由同一条多顺反子mRNA分子所编码 –该mRNA分子的启动区（P）位于阻遏基因（I）与操纵区
• 大肠杆菌能利用乳糖作为碳源，而利用乳糖作为碳源的酶 只有当乳糖成为唯一的碳源时才会被合成。
• 大肠杆菌乳糖操纵子（lactose operon）包括3个结构基因： Z、Y和A，以及启动子、控制子和阻遏子等。转录的调控 是在启动区和操纵区进行的。
• P为启动子，O为操纵区，lacI编码阻遏子
• 3个结构基因各决定一种酶：Z编码β-半乳糖苷酶；Y编码 β-半乳糖苷透过酶；A编码β-半乳糖苷乙酰基转移酶。
2.8 葡萄糖对lac操纵子影响
• β-半乳糖苷酶在乳糖代谢中的作用是把前者分解成葡萄糖及 半乳糖。如果将葡萄糖和乳糖同时加入培养基中，大肠杆菌 在耗尽外源葡萄糖之前不会诱发lac操纵子。
2.9 cAMP与代谢物激活蛋白
• cAMP是在腺苷酸环化酶的作用下由ATP转变而来的，在真 核生物的激素调节过程中也起着十分重要的作用。
第六章 细菌的基因调控
• 一、细菌基因调控基本概念 • 二、乳糖操纵子与负控诱导调控 • 三、色氨酸操纵子与负控阻遏调控 • 四、其他操纵子调控（二组份元件调控） • 五、转录后调控 • 六、群体密度感应系统调控
一、细菌基因调控的基本概念
1.1 基本概念
（1）基因表达（gene expression）是指从DNA到蛋白 质的过程。
1.4.5 细菌的应急反应
• 细菌遇到紧急状况，比如氨基酸饥饿——氨基酸的全面匮 乏。细菌会产生一个应急反应——停止包括生产各种RNA、 糖、和蛋白质的几乎全部生物化学反应过程。
• 实施这一应急反应的信号是鸟苷四磷酸(ppGpp)和鸟苷五磷 酸(pppGpp)。产生这两种物质的诱导物是空载tRNA。
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2.6 大肠杆菌对乳糖的反应
• 在以甘油为碳源的培养基中
• 加乳糖以前，lac操纵子本底 水平表达