第七章基因的表达与调控（上）——原核基因表达调控模式（一）基本概念1．基因表达：细胞在生命过程中，把蕴藏在DNA中的遗传信息经过转录和翻译，转变成为蛋白质或功能RNA分子的过程称为基因表达。
2．基因表达调控：围绕基因表达过程中发生的各种各样的调节方式都统称为基因表达调控。
rRNA或tRNA的基因经转录和转录后加工产生成熟的rRNA或tRNA,也是rRNA或tRNA 的基因表达，因为rRNA或tRNA就具有在蛋白质翻译方面的功能。
3．组成型表达：指不大受环境变动而变化的一类基因表达。
如ＤＮＡ聚合酶，ＲＮＡ聚合酶等代谢过程中十分必需的酶或蛋白质的表达。
管家基因：某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因。
管家基因无论表达水平高低，较少受到环境因素的影响。
在基因表达研究中，常作为对照基因适应型表达：指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。
应环境条件变化基因表达水平增高或从无到有的现象称为诱导，这类基因被称为可诱导的基因；相反，随环境条件变化而基因表达水平降低或变为不表达的现象称为阻遏，相应的基因被称为可阻遏的基因。
4．结构基因：编码蛋白质或功能性RNA的任何基因。
所编码的蛋白质主要是组成细胞和组织基本成分的结构蛋白、具有催化活性的酶和调节蛋白等。
原核生物的结构基因一般成簇排列，真核生物独立存在。
结构基因簇由单一启动子共同调控。
调节基因：参与其他基因表达调控的RNA或蛋白质的编码基因。
①调节基因编码的调节物质通过与DNA上的特定位点结合控制转录是调控的关键。
②调节物与DNA特定位点的相互作用能以正调控的方式（启动或增强基因表达活性调节靶基因，也能以负调控的方式（关闭或降低基因表达活性）调节靶基因。
操纵子：由操纵基因以及相邻的若干结构基因所组成的功能单位，其中结构基因的转录受操纵基因的控制。
（二）原核基因调控的分类和主要特点一、原核生物的基因调控特点：（1）基因调控主要发生在转录水平上，形式主要是操纵子调控.（2）有时也从DNA水平对基因表达进行调控，实质是基因重排。
（3）在原核生物中，也有控制翻译过程的调控机制。
（4）原核生物转录的起始、延伸、终止和抗终止过程及翻译的起始、延伸和终止过程，每一步都在对基因的表达实行调控。
二、原核生物基因调控的分类：1、根据调控机制的不同可分为：正转录调控和负转录调控两大类2、根据基因对某些能调节它们的小分子的应答，可分为可诱导调节和可阻遏调节两大类。
正转录调控系统和负转录调控系统：1．负转录调控系统：在负转录调控系统中，调节基因的产物是阻遏蛋白，起着阻止结构基因转录的作用。
根据其作用特征又可分为负控诱导和负控阻遏二大类。
①在负控诱导系统中，阻遏蛋白不与效应物（诱导物）结合时，结构基因不转录；②在负控阻遏系统中，阻遏蛋白与效应物（辅阻遏物）结合时，结构基因不转录。
阻遏蛋白作用的部位是操纵区2．正转录调控系统：在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白,促进结构基因的转录。
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。
①在正控诱导系统中，效应物分子（诱导物）的存在使激活蛋白处于活性状态；②在正控阻遏系统中，效应物分子（辅阻遏蛋物）的存在使激活蛋白处于非活性状态。
三、细菌的应急反应细菌有时会碰到紧急状况，比如氨基酸饥饿时，就不是缺少二种氨基酸，而是氨基酸的全面匮乏。
为了紧缩开支，渡过难关，细菌将会产生一个应急反应，包括生产各种RNA、糖、脂肪和蛋白质在内的几乎全部生物化学反应过程均被停止。
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。
关于ppGpp的作用原理还不大清。
ppGpp与pppGpp的作用范围十分广泛，它们不是只影响一个或几个操纵子，而是影响一大批，所以它们是超级调控因子。
四、乳糖操纵子与负控诱导系统1．乳糖操纵子乳糖操纵子的组成：大肠杆菌乳糖操纵子含Z、Y、A三个结构基因，分别编码半乳糖苷酶、透酶和半乳糖苷乙酰转移酶，此外还有一个操纵序列O，一个启动子P和一个调节基因I。
乳糖操纵子同时受正性调节和负性调节。
①阻遏蛋白的负性调节：没有诱导物存在时，I基因编码的阻遏蛋白结合于操纵序列O处，乳糖操纵子处于阻遏状态，不能合成分解乳糖的三种酶；有诱导物存在时，诱导物诱导阻遏蛋白变构，不能结合于操纵序列，乳糖操纵子被诱导开放合成分解乳糖的三种酶。
所以，乳糖操纵子的这种调控机制为可诱导的负调控。
②CAP的正性调节：在启动子上游有CAP结合位点，当大肠杆菌从以葡萄糖为碳源的环境转变为以乳糖为碳源的环境时，cAMP浓度升高，与CAP结合，使CAP发生变构，CAP结合于乳糖操纵子启动序列附近的CAP结合位点，激活RNA聚合酶活性，促进结构基因转录，对乳糖操纵子实行正调控，加速合成分解乳糖的三种酶。
因此，乳糖操纵子中的I基因编码的阻遏蛋白的负调控与CAP的正调控两种机制，互相协调、互相制约。
Lac操纵子的激活需要cAMP－CRP（CAP）复合物。
这种需要是独立的，与阻遏体系无关，转录必须有此复合物在ＤＮＡ的启动子区域。
Lac操纵子的功能是在这两个体系的共同作用下来实现的.：阻遏物的负调控因子、CAP的正调控因子2． Lac操纵子的诱导剂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。
Lac操纵子的诱导物：异构乳糖（别乳糖）、半乳糖、IPTG（异丙基硫代半乳糖苷）非底物诱导物：既能诱导酶的产生而本身又不被分解的诱导物。
葡萄糖对lac操纵子的影响——代谢物阻遏效应葡萄糖效应：是指当葡萄糖和其它糖类一起作为细菌的碳源时葡萄糖总是优先被利用，葡萄糖的存在阻止了其它糖类的利用的现象。
除葡萄糖外，阿拉伯糖、麦芽糖等在降解过程中均转化生成葡萄糖或糖酵解途径中的其他中间产物，所以，这些糖代谢中有关的酶都是由可诱导的操纵子控制的。
只要有葡萄糖存在，这些操纵子就不表达，被称为降解物敏感型操纵子。
降解物敏感型操纵子：包括代谢乳糖、阿拉伯糖及麦芽糖等的操纵子。
五、色氨酸操纵子与负控阻遏系统1、色氨酸操纵子的结构：色氨酸操纵子中的结构基因区是由trpE、trpD、trpC、trpB、trpA 基因构成，紧邻trpE基因的是启动子区（P）、操纵区（O）、前导区（L）和弱化子区（a）。
色氨酸操纵子中编码辅阻遏蛋白的基因是trpR，距色氨酸基因簇很远2、阻遏系统-粗调：色氨酸操纵子的效应物是色氨酸，当培养基中色氨酸含量较高时，它与辅阻遏蛋白结合后，结合到操纵区，阻止转录；当培养基中色氨酸供应不足时，辅阻遏蛋白不结合色氨酸，从操纵区解离，色氨酸操纵子启动转录。
这种调节相当于色氨酸操纵子的粗调开关3、弱化作用-细调：在前导肽的第10位和第11位上有相邻的两个色氨酸密码子。
通过前导肽基因的翻译来调节色氨酸操纵子转录的终止。
因为在前导肽基因中有两个相邻的色氨酸密码子，所以前导肽的翻译对色氨酰-tRNA的浓度敏感。
前导肽的转录弱化作用：1，当培养基中色氨酸的浓度很低时，负载有色氨酸的tRNA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，这时的前导区结构是2-3配对，所以转录可继续进行。
2.当培养基中色氨酸浓度较高时，核糖体可顺利通过两个相邻的色氨酸密码子，在4区被转录之前就到达2区，使2-3区不能配对，3-4区自由配对形成一发夹终止子结构，转录被终止，trp操纵子被关闭。
弱化子对基因活性的影响是通过影响前导序列mRNA的结构而起作用的。
起调节作用的是某种氨基酰-tRNA的浓度。
六、其他操纵子（1）半乳糖操纵子结构：结构基因：异构酶( ale)，半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷转移酶(galT) ，半乳糖激酶(galk) 这3个酶的作用是使半乳糖变成葡萄糖-1-磷酸。
Gal操纵子的特点：它有两个启动子，其mRNA可从两个不同的起始点开始转录；它有两个O区，一个在P区上游-67～-53，另一个在结构基因galE内部。
cAMP-CRP对从S1和S2起始的转录有不同的作用。
S1起始的转录——只有在无葡萄糖时进行，需要半乳糖、CRP和较高浓度的cAMP 。
S2起始的转录——葡萄糖存在时进行，高水平的cAMP –CRP反而抑制转录的起始。
（2）阿拉伯糖操纵子：araB基因、araA基因和araD, 形成一个基因簇，简写为araBAD 。
他们分别编码核酮糖激酶，L-阿拉伯糖异构酶，L-核酮糖-5磷酸-差向异构酶。
共同负责阿拉伯糖的降解。
三个基因的表达受到ara操纵子中araC基因产物AraC蛋白的调控。
Ara操纵子的调控有三个特点：第一，araC表达受到AraC的自动调控。
第二，AraC既可充当阻遏物，也可作为激活剂。
第三，AraC与CAP结合可充分诱导ara操纵子。
SOS反应的机理：由 RecA 蛋白和 LexA 阻遏物的相互作用引起的。
LexA阻遏物：是SOS DNA修复系统所有基因的阻遏物 RecA蛋白：是SOS反应的最初的发动因子。
DNA受到损伤或复制受到抑制时，RecA蛋白被激活，表现出水解酶活性，分解LexA阻遏物。
当RecA水解LexA阻遏物后，导致SOS体系（包括recA基因）高效表达，DNA得到修复（3）多启动子调控的操纵子I．rRNA操纵子大肠杆菌rRNA操纵子（rrnE）上有两个启动子，P1和P2。
P1是强启动子，营养充沛时，由P1起始的转录产物比由P2起始的转录产物高3-5倍。
当营养匮乏时，P1的作用被抑制，但P2仍有功能。
随着PPGPP浓度的增加，P1逐渐关闭，P2仍有活性。
第八章基因的表达与调控 ---真核基因表达调控一般规律一、真核生物基因调控，根据其性质可分为两大类：1。
瞬时调控或称可逆性调控，它相当于原核细胞对环境条件变化所做出的反应，包括某种底物或激素水平升降及细胞周期不同阶段中酶活性和浓度的调节。
2．发育调控或称不可逆调控，是真核基因调控的精髓部分，它决定了真核细胞生长、分化、发育的全部进程。
二、真核基因组的一般构造特点：①一条成熟的mRNA链只能翻译出一条多肽链，不存在操纵子② DNA都与组蛋白和大量非组蛋白相结合，只有小部分裸露③高等真核细胞DNA中很大部分是不转录的，大部分真核细胞的基因中间还存在不被翻译的内含子。
④真核生物能够有序地根据生长发育阶段的需要进行DNA片段重排，还能在需要时增加细胞内某些基因的拷贝数。
⑤基因转录的调节区相对较大，它们可能远离启动子达几百个甚至上千个碱基对，这些调节区一般通过改变整个所控制基因5‘上游区DNA构型来影响它与RNA聚合酶的结合能力。
⑥真核生物的RNA在细胞核中合成，只有经转运穿过核膜，到达细胞质后，才能被翻译成蛋白质，原核生物中不存在这样严格的空间间隔。
