基础生物化学—赵武玲

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1、第三节原核转录调控P371页细胞的基因表达是指由DNA转录成RNA再翻译成蛋白质的过程，是受到严格的调控的。细胞响应调节信号，使基因表达产物的水平升高或降低的过程，就称之为基因表达调控(regulatedgeneexpression)。基因的表达调控可以在多种水平上进行，如DNA结构的调控、转录水平的调控及翻译水平的调控。原核生物基因表达调控以转录起始水平的调控为主。下面以乳糖操纵子和色氨酸操纵子为例介绍原核生物转录起始阶段的调控。一、乳糖操纵子操纵子（operon)模型很好地说明了原核生物基因表达的调节机制，在原核生物基因调控中具有普遍

2、性。操纵子是原核生物染色体上控制蛋白质合成的功能单位，包括结构基因区（structuralgeneregion）和调控区。有些操纵子中还具有其他的位点。结构基因由功能上彼此相关的几个基因组成，编码具有酶功能或结构功能的蛋白质。一个操纵子中若干个结构基因排列在一起，它们的表达作为一个整体受到调控区的调节，通过转录形成的是一条多顺反子mRNA。调控区由启动子（promoter，P)、操纵序列（operator，O）所组成。调控区可接受调节基因(regulatorygene）产物的调节。调节基因不在操纵子内，它编码调节蛋白，结合在DNA的特殊位

3、点上调节基因表达。如果调节基因编码的蛋白质与操纵序列结合后激活了基因的表达，这样的调控被称为正调控（positivecontrol)，相应的调节蛋白就称为激活蛋白（activator)。如果调节基因编码的蛋白质与操纵序列结合后阻遏了基因的表达，这样的调控就称为负调控(negativecontrol)，相应的调节蛋白就称为阻遏蛋白（repressor)。大肠杆菌的乳糖操纵子模型（ιacoperon)是第1个被阐明的基因表达系统，由FrancoisJacob和JacquesMonod于1962年提出的。大肠杆菌乳糖操纵子有3个结构基因Z，Y，

4、A，分别编码3种参与乳糖分解代谢的酶，即β-半乳糖昔酶（β—galactosidase)、β-半乳糖昔透过酶(permease）和硫代半乳糖昔转乙酞基酶(thiogalactosidetransacetylase)。结构基囚区的上游是调控区，包拈一个启动子（P）、一个操纵序列（O)。在启动子上游还有一个代谢物基因活化蛋白（catabolitegeneactivationprotein，CAP)的结合位点。由启动子、操纵序列和CAP结合共同构成乳糖操纵子的调控区（图14-8)，在培养基中没有乳糖的条件下，阻遏蛋白能与操纵序列结合。由于操纵序

5、列与启动子有部分重叠，一旦阻遏蛋白与操纵序列结合，就妨碍了RNA聚合酶与启动子结合，从而抑制结构基因的转录。这种状态称为乳糖操纵子被阻遏。不过，阻遏蛋白的阻遏作用并不是绝对的。由于阻遏蛋白偶尔会从操纵序列上解离，所以每个细胞中仍有少量的β-半乳糖昔醉和β-半乳糖昔透过酶生成。当培养基中有乳糖存在时，乳糖通过片半乳糖昔透过酶作用进入细胞，乳糖作为诱导物（inducer）与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白的构象发生改变，从操纵序列上解离下来，使结构基因开放，转录得以进行（图14-9)。这种状态称为乳糖操纵子被诱导。在乳糖操纵子中，RNA聚合酶与启动子

6、结合的能力很弱，还需要激活蛋白的促进，才能与启动子更好地结合并有效转录。乳糖操纵子中的激活蛋白就是CAP。CAP结合到启动子上游的CAP结合位点后，促进RNA聚合酶与启动子更好地结合并有效转录。在这种调控作用中，CAP起正调控作用。乳糖操纵子的转录起始是由CAP和阻遏蛋白两种调控因子来协调控制的（图14-10)。CAP是同二聚体，分子内有DNA结合区及cAMP结合位点。当细胞中。cAMP含量升高时，CAP与cAMP结合后转变成有活性的构象。活化的CAP结合在ιac启动子附近的CAP位点，刺激乳糖操纵子转录活性。当细胞中cAMP含量降低，C

7、AP与cAMP结合受阻，造成乳糖操纵子表达下降。细胞中cAMP含量的变化与细胞中的葡萄糖含量有关。当环境中没有葡萄糖时，细胞中cAMP的含量就升高。当环境中有葡萄糖存在时，细胞中CAMP的含量就降低。CAP与cAMP结合受阻，造成乳糖操纵子表达下降，使细菌只能利用葡萄糖。因此，当细菌在含有葡萄糖和乳糖的培养基中生长时，总是优先利用葡萄糖。当葡萄糖耗尽后，细菌经过一段停滞期，在乳糖诱导下β-半乳糖昔酶开始合成，细菌才能利用乳糖，这称之为葡萄糖效应。二、色氨酸操纵子细胞能够根据环境变化对代谢做出调整。大肠杆菌的色氨酸操纵子就是一个生动的例子。

8、色氨酸操纵子存在两种调控机制。一种是通过阻遏蛋白的负调控，另一种是衰减(attenuation）作用的调控。大肠杆菌的色氨酸操纵子（trpoperon)有5个结构基因trpE，trpD、trp