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第九章 原核生物基因表达的调控. 基因表达调控就是对基因产物的合成进行控制的机制 . 一个细胞可能仅含有 20 个拷贝乳糖操纵子阻遏蛋白，但是它可能会需要超过 100 000 个拷贝的 EF-Tu 参与蛋白质的合成。 在另外一些情况下，单细胞有机体调控基因表达是为了应答环境条件（例如，温度，渗透压或者是否存在某种营养物质）的改变或者细胞内部的生理状况（例如为细胞分裂做准备）的变化。与细胞适应过程有关的酶或者蛋白质通常是不存在的，只有在需要的时候才被合成。 管家基因与奢侈基因.
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第九章 原核生物基因表达的调控 • 基因表达调控就是对基因产物的合成进行控制的机制. • 一个细胞可能仅含有20个拷贝乳糖操纵子阻遏蛋白，但是它可能会需要超过100 000个拷贝的EF-Tu参与蛋白质的合成。 • 在另外一些情况下，单细胞有机体调控基因表达是为了应答环境条件（例如，温度，渗透压或者是否存在某种营养物质）的改变或者细胞内部的生理状况（例如为细胞分裂做准备）的变化。与细胞适应过程有关的酶或者蛋白质通常是不存在的，只有在需要的时候才被合成。 • 管家基因与奢侈基因
基因表达表达是一个多步骤的过程，表达的产物是具有一定功能的蛋白质。基因表达的每一环节以及表达产物的稳定性均可作为调控的位点，包括：基因表达表达是一个多步骤的过程，表达的产物是具有一定功能的蛋白质。基因表达的每一环节以及表达产物的稳定性均可作为调控的位点，包括： • 基因被转录成初级转录产物 • 初级转录产物被加工成成熟的mRNA • mRNA的稳定性 • mRNA的翻译 • 多肽链的加工和组装 • 酶或者蛋白质活性控制 • 蛋白质的降解
9.1 转录水平的调控 正调控与负调控模式比较
9.1.1转录起始调控 9.1.1.1 操纵子 一、乳糖操纵子 结构
lacA编码硫代半乳糖苷乙酰转移酶，该酶的作用是消除同时被乳糖转移酶转运到细胞内的硫代半乳糖苷对细胞造成的毒性。lacA编码硫代半乳糖苷乙酰转移酶，该酶的作用是消除同时被乳糖转移酶转运到细胞内的硫代半乳糖苷对细胞造成的毒性。
乳糖操纵子的阻遏与诱导 乳糖操纵子通常是关闭的。lacI编码的阻遏蛋白以四聚体的形式与操纵基因结合，关闭三个结构基因的表达。
由于阻遏蛋白偶尔会脱离操纵子基因，所以操纵子的转录并非完全关闭，仍会有本底水平的表达，细胞内会有几个分子的β－半乳糖苷酶和透性酶。由于阻遏蛋白偶尔会脱离操纵子基因，所以操纵子的转录并非完全关闭，仍会有本底水平的表达，细胞内会有几个分子的β－半乳糖苷酶和透性酶。
可诱导型操纵子使细菌能很好地适应环境的变化，有效地利用环境提供的底物。例如，当培养基中加有乳糖时，操纵子被诱导开放，合成分解乳糖所需要的酶。当乳糖被消耗完后，细胞不再需要分解乳糖的酶，操纵子重新关闭。可诱导型操纵子使细菌能很好地适应环境的变化，有效地利用环境提供的底物。例如，当培养基中加有乳糖时，操纵子被诱导开放，合成分解乳糖所需要的酶。当乳糖被消耗完后，细胞不再需要分解乳糖的酶，操纵子重新关闭。
在研究工作中很少使用乳糖作为诱导剂，因为培养基中的乳糖会被诱导合成的β－半乳糖苷酶催化降解，其浓度不断发生变化。实验室里常使用人工合成的诱导物－异丙基-β-D-硫代半乳糖苷（IPTG），由于IPTG不是β－半乳糖苷酶的底物，不被降解，所以又称作安慰诱导物。在研究工作中很少使用乳糖作为诱导剂，因为培养基中的乳糖会被诱导合成的β－半乳糖苷酶催化降解，其浓度不断发生变化。实验室里常使用人工合成的诱导物－异丙基-β-D-硫代半乳糖苷（IPTG），由于IPTG不是β－半乳糖苷酶的底物，不被降解，所以又称作安慰诱导物。
葡萄糖对lac操纵子表达的影响 葡萄糖是细菌优先利用的糖类。当葡萄糖和其他糖类（比如乳糖）同时存在时，细菌只利用葡萄糖而不代谢别的糖类，这种现象称为分解代谢物阻遏（catabolite repression）。因此，乳糖操纵子只有在乳糖存在，同时葡萄糖缺乏时才会高水平表达。原因是乳糖操纵子除了受阻遏蛋白的调节，还要受到分解代谢活化子蛋白（catabolic activator protein，CAP）的调节。
CAP能够与cAMP结合形成一个二聚体，所以CAP又称为cAMP受体蛋白（cAMP receptor protein，CRP）。cAMP-CRP二聚体能够结合到启动子的上游识别位点上，通过募集RNA聚合酶激活乳糖操纵子的转录。Plac不是强启动子，它没有典型的－35序列。为了实现高水平的转录，lac操纵子需要cAMP-CRP复合物的激活作用。激活蛋白通常结合在启动子的上游协助RNA聚合酶与启动子结合。与之相反，阻遏蛋白结合在启动子的下游，阻止RNA聚合酶与启动子结合，或者阻止RNA聚合酶向前移动，转录基因。
二、阿拉伯糖操纵子 大肠杆菌阿拉伯糖操纵子的编码产物与阿拉伯糖的利用有关。与乳糖操纵子一样，阿拉伯糖操纵子也属于可诱导型，操纵子通常情况下是关闭的，只有当环境中存在阿拉伯糖时，操纵子才开放，合成相应的酶参与阿拉伯糖分解代谢。
当没有阿拉伯糖存在时，不需要araBAD表达，AraC作为负调控蛋白，以二聚体的形式同时与araO2和araI1结合，导致DNA环化，阻止araBAD的表达。当没有阿拉伯糖存在时，不需要araBAD表达，AraC作为负调控蛋白，以二聚体的形式同时与araO2和araI1结合，导致DNA环化，阻止araBAD的表达。 • 当有阿拉伯糖存在时，阿拉伯糖与AraC结合，导致其构象发生变化，二聚体优先与araI1和araI2结合，这个时候如果没有葡萄糖存在，AraC和cAMP-CRP共同促进RNA聚合酶与PBAD结合，起始转录。
由于AraC对转录有激活作用，所以删除araC后，阿拉伯糖操纵子一直处于关闭状态，即便有阿拉伯糖的存在，也是如此。由于AraC对转录有激活作用，所以删除araC后，阿拉伯糖操纵子一直处于关闭状态，即便有阿拉伯糖的存在，也是如此。 • AraC也可以进行自然调控，当细胞内AraC的水平升高时，AraC与araO1结合，抑制自araPc开始的转录。
三、半乳糖操纵子 gal操纵子有三个结构基因- galE，galT和galK，它们编码的酶参与半乳糖代谢，这三个基因被转录成一条多顺反子mRNA。这三个结构基因分别编码半乳糖表异构酶、半乳糖转移酶和半乳糖激酶 。
半乳糖激酶 半乳糖表异构酶 半乳糖 + ATP 半乳糖1-磷酸 + ADP + H+ 半乳糖1-磷酸 + UDPGlu UDPGal + 葡萄糖1-磷酸 UDPGal UDPGlu 以上三个反应式的总反应是： 半乳糖 + ATP 葡萄糖1-磷酸 + ADP + H+ 半乳糖转移酶
无葡萄糖，有半乳糖时，促进从P1起始的转录，合成代谢半乳糖的酶，为细胞的生长提供碳源和能源。但是，抑制从P2起始的转录。无葡萄糖，有半乳糖时，促进从P1起始的转录，合成代谢半乳糖的酶，为细胞的生长提供碳源和能源。但是，抑制从P2起始的转录。 • 有葡萄糖时，从P2起始转录低水平转录，合成的半乳糖表异构酶将UDPGlu 转换成UDPGal ，为细胞壁的合成提供材料。 • 两个阻遏蛋白分子分别结合于OE和OI，它们之间的相互作用导致它们之间的DNA弯曲成环，启动子就位于该DNA环上。DNA的环化阻止了RNA聚合酶起始转录。 • 如果阻遏蛋白只与OE结合，则会促进由P2的转录。
四、色氨酸操纵子 在一些操纵子中，阻遏蛋白自身并不能与操纵基因结合，它们需要首先与称作辅阻遏物(corepressor)的小分子物质结合后才能与操纵基因结合，关闭结构基因的转录。这种类型的操纵子为可阻遏型，它们平时处于开启状态，由于合成产物的积累而将其关闭。在大肠杆菌中，参与很多氨基酸和维生素合成的酶的表达就是以这种方式受到调控的。色氨酸操纵子属于可阻遏型，作为辅阻遏物的是色氨酸。
五、全局调控 受一种调节蛋白调控的一组基因或操纵子称为调节子（regulon），这些基因或操纵子可以位于一条染色体的不同位置上。 乳糖操纵子
9.1.1.2 不同σ因子对转录的调控 一、热激蛋白的表达 • 大肠杆菌的最适生长温度是37℃。当温度上升至46℃时，大肠杆菌几乎停止生长。在46℃下细胞合成的蛋白质大约30％为一组相当保守的热激蛋白（heat shock protein, HSP）。很多热激蛋白是分子伴侣（molecular chaperones）和蛋白酶。分子伴侣的作用是介导蛋白质正确折叠；蛋白酶的作用则是降解受到热损伤而又不能修复的蛋白质。
热激蛋白的表达调控主要发生在转录水平上。热激蛋白基因的启动子被σ32而不是通常的σ70识别。σ32也不能识别σ70启动子，因为这两种σ因子识别的启动子序列不一样热激蛋白的表达调控主要发生在转录水平上。热激蛋白基因的启动子被σ32而不是通常的σ70识别。σ32也不能识别σ70启动子，因为这两种σ因子识别的启动子序列不一样
HSP的诱导合成是由于细胞内的σ32水平瞬间升高引起的。HSP的诱导合成是由于细胞内的σ32水平瞬间升高引起的。 • 在热激条件下，σ32的合成会增加，热激诱导σ32合成发生在翻译水平。 • 另一方面，在热激条件下σ32的稳定性也增加了。
二、枯草杆菌的孢子形成过程中的级联调控 芽孢的形成与释放
芽孢形成过程中的σ因子激活级联 σE激活母细胞前期分化基因的转录 σF激活早期芽孢形成基因的转录
σK激活母细胞后期分化基因的转录 σG激活晚期芽孢形成基因的转录 σ级联保证了芽孢形成过程中各个步骤按正确的顺序发生。在σ级联中每一σ因子控制着芽孢形成的一个阶段，并且控制着在下一阶段发挥作用的σ因子合成。并且在母细胞和芽孢之间存在着信息交换，使前芽孢和母细胞中的基因表达相互协调。
9.1.1.3 双组分调节系统 双组分调节系统的组成 感应激酶 应答调节子
周质结构域、 胞质结构域 PhoR和PhoB构成的双组分调节系统
9.1.2 转录终止阶段的调控 9.1.2.1 弱化子 研究表明色氨酸操纵子两种机制的调控。如果trp操纵子只受trpR编码的阻遏物调控，那么在缺乏或存在色氨酸时，trpR突变使trp操纵子表达的酶量应该是相同的。可是，在trpR缺失突变体中，培养基中缺乏色氨酸比有色氨酸存在时操纵子的表达水平更高，说明色氨酸操纵子除受阻遏物调控外，还受另一机制的调控。
前导RNA的结构 ①含有一个阅读框 ②含有4个分别以1、2、3和4表示的序列，它们之间能够以两种不同的方式进行碱基配对
