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原核生物的基因调控科学家把这个从DNA到蛋白质的过程称为基因表达(gene expression)，对这个过程的调节就称为基因表达调控(gene regulation或gene control)。
要了解动、植物生长发育的规律、形态结构特征和生物学功能，就必须弄清楚基因表达调控的时间和空间概念，掌握了基因表达调控的秘密，我们手中就有了一把揭示生物学奥妙的金钥匙。
基因表达调控主要表现在以下几个方面：①转录水平上的调控(transcriptional regulation)；②mRNA加工成熟水平上的调控(differential processing of RNAtranscript)；③翻译水平上的调控(differential translation of mRNA).原核生物中，营养状况(nutritionalstatus)和环境因素(environmental factor)对基因表达起着举足轻重的影响。
在真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平(hormone level)和发育阶段(developmental stage)是基因表达调控的最主要手段，营养和环境因素的影响力大为下降。
二、基因表达调控的基本原理（一）基因表达的多级调控基因的结构活化、转录起始、转录后加工及转运、mRNA降解、翻译及翻译后加工及蛋白质降解等均为基因表达调控的控制点。
可见，基因表达调控是在多级水平上进行的复杂事件。
其中转录起始是基因表达的基本控制点。
四个基本的调控点：（1）基因结构的活化。
DNA暴露碱基后RNA聚合酶才能有效结合。
活化状态的基因表现为：1.对核酸酶敏感；2.结合有非组蛋白及修饰的组蛋白；3.低甲基化。
（2）转录起始。
最有效的调节环节，通过DNA元件与调控蛋白相互作用来调控基因表达。
（3）转录后加工及转运。
RNA编辑、剪接、转运。
（4）翻译及翻译后加工。
翻译水平可通过特异的蛋白因子阻断mRNA 翻译翻译后对蛋白的加工、修饰也是基本调控环节。
第14章原核生物基因的表达调控重点：操纵子的结构特点和功能；乳糖操纵子的正负调控；色氨酸操纵子的衰减作用。
难点：色氨酸操纵子的衰减作用。
第一节基因调控的基本定律一、基因调控水平二、基因和调控元件三、DNA结合蛋白一、基因调控水平基因表达的调控可以发生在DNA到蛋白质的任意节点上，如基因结构、转录、mRNA 加工、RNA的稳定性、翻译和翻译后修饰。
二、基因和调控元件基因：是指能转录成RNA的DNA序列。
结构基因：编码代谢、生物合成和细胞结构的蛋白质。
调节基因：产物是RNA或蛋白质，控制结构基因的表达。
其产物通常是DNA结合蛋白。
调控元件：不能转录但是能够调控基因表达的DNA序列。
三、DNA结合蛋白调控蛋白通常含有与DNA结合的结构域，一般由60-90个氨基酸组成。
在一个结构域中，只有少数氨基酸与DNA接触。
这些氨基酸（包括天冬氨酸、谷氨酸、甘氨酸、赖氨酸和精氨酸）常与碱基形成氢键，或者与磷酸核糖骨架结合。
根据DNA结合结构域内的模体，可以将DNA结合分成几种类型（图16.2）。
第二节大肠杆菌的乳糖操纵子一、操纵子结构二、正负调控三、乳糖操纵子四、lac突变五、正控制一、操纵子结构原核和真核生物基因调控的主要差异在于功能相关的基因的组成。
细菌的功能相关的基因常常排列在一起，并且由同一启动子控制。
一群一起转录的细菌的结构基因（包括其启动子和控制转录的额外序列）称为操纵子。
二、正负调控转录水平上的调控主要有两种类型：负调控：gene ON 阻遏蛋白 OFF正调控：gene OFF 激活蛋白 ON诱导：活性阻遏蛋白 失活诱导因子＋非活性激活蛋白 活性阻遏：失活阻遏蛋白 活性共阻遏蛋白＋活性激活蛋白 失活三、乳糖操纵子乳糖操纵子是诱导型操纵子，当诱导物不存在时，阻遏蛋白结合到操纵序列上并阻止转录；当诱导物存在时，阻遏蛋白与诱导物结合后失去活性，转录才得以进行。
四、lac突变为了鉴定乳糖操纵子各个成分的功能，Jacob和Monod做了细菌的接合实验，其中供体菌的F’因子上也带有乳糖操纵子。
原核生物基因表达调控概述基因表达调控是生物体内基因表达调节控制机制，使细胞中基因表达的过程在时间，空间上处于有序状态，并对环境条件的变化做出适当的反应复杂过程。
1.基因表达调控意义在生命活动中并不是所有的基因都同时表达，代谢过程中所需各种酶和蛋白质基因以及构成细胞化学成分的各种编码基因，正常情况下是经常表达的，而与生物发育过程有关的基因则需在特定的时空才表达，还有许多基因被暂时的或永久的关闭而不来表达。
2.原核基因表达调控特点原核生物基因表达调控存在于转录和翻译的起始、延伸和终止的每一步骤中。
这种调控多以操纵子为单位进行，将功能相关的基因组织在一起，同时开启或关闭基因表达即经济又有效，保证其生命活动的需要。
调控主要发生在转录水平，有正、负调控两种机制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、蛋白质因子及其他小分子配基的相互作用。
细菌的转录和翻译过程几乎在同一时间内相互偶联。
细胞要控制各种蛋白质在不同时期的表达水平，有两条途径：（1）细胞控制从其DNA模板上转录其特异的mRNA的速度，这是一条经济的途径，可减少从mRNA合成蛋白质的小分子物质消耗，这是生物长期进化过程中自然选择的结果，这种控制称为转录水平调控。
（2）在mRNA合成后，控制从mRNA翻译肽链速度，包括一些与翻译有关的酶及其复合体分子缔合的装配速度等过程。
这种蛋白质合成及其基因表达的控制称为翻译水平的调控。
二.原核生物表达调控的概念（1）细菌细胞对营养的适应细菌必须能够广泛适应变化的环境条件。
这些条件包括营养、水分、溶液浓度、温度，pH等。
而这些条件须通过细胞内的各种生化反应途径，为细胞生长的繁荣提供能量和构建细胞组分所需的小分子化合物。
（2）顺式作用元件和反式作用元件基因活性的调节主要通过反式作用因子与顺式作用元件的相互作用而实现。
反式作用因子的编码基因与其识别或结合的靶核苷酸序列在同一个DNA分子上。
RNA聚合酶是典型的反式作用因子。
原核生物的基因调控每个物种都有一套完整的遗传信息。
遗传信息存在于DNA分子中，每个细胞都有相同的DNA，也确实是讲，每个细胞中都带有完整的遗传信息。
在正常情形下，一个个体的各类细胞差不多上按照一定的规律和一定的时空顺序，关闭一些基因，开启另一些基因，并持续地进行严格的调控，以保证个体的发育得以顺利进行。
基因表达(gene expression)确实是指某一基因指导下的蛋白质合成,蛋白质是基因表达的产物,在生活中并非所有基因都一齐表达,而是有些基因进行表达,形成其基因表达的特异产物,以构成细胞结构或代谢所需要的蛋白质或酶类。
然而,有许多基因却被关闭,不进行表达,而要在适当的时候才进行表达。
基因作用的调控机理相当复杂，至今仍知之不多。
但那个领域是当前遗传学研究的热点，随着功能基因组学的飞速进展，研究的进展相当地快。
因此，研究成果多集中在原核生物，对高等生物基因表达的调控机制还了解不多。
尽管一种基因编码一种蛋白质,然而不同蛋白质在细胞中的相对数量差不专门大,随着它们的功能而不同,例如,在E.coli细胞中,从总蛋白的不足0.01%--2%,各种蛋白质变化不定。
细胞要使其蛋白质合成达到这种差异,能够有两条途径：第一条途径是细胞操纵从其DNA模板上转录其特异的mRNA的速度,这是一种最经济的方法,能够免去白费从mRNA合成蛋白质的各种元件和材料。
这大致是生物在长期进化过程中自然选择的结果。
这种操纵通常称之为转录水平(transcriptional level)的调控。
大多数基因表达都属于转录水平的调控。
第二条途径是在mRNA合成后,操纵从mRNA翻译成多肽链的速度,包含一些分子装置咨询题,如与核糖体的结合速度等。
这种蛋白质合成或基因表达的操纵称为翻译水平(translational level)的调控。
这种调控是较少的。
一、转录水平的调控单细胞的原核生物对环境条件具有高度的适应性，能够迅速调剂各种基因的表达水平，以适应持续变化的环境条件。
原核生物要紧是在转录水平上调控基因的表达。
当需要这种产物时，就大量合成这种mRNA，当不需要这种产物时就抑制这种mRNA的转录，确实是让相应的基因不表达。
通常所讲的基因不表达，并不是讲那个基因就完全不转录为mRN A，而是转录的水平专门低，坚持在一个基础水平（本底水平）。
1.正调控（positive regulation）和负调控（negative regulation）：诱导物与蛋白质结合形成激活子复合物，激活子复合物与基因启动子DNA 序列结合，激活基因启动转录，称为正调控。
阻遏蛋白分子与基因启动子D NA序列结合，阻碍RNA聚合酶的工作，使基因处于关闭状态，称为负调控。
调剂蛋白(regulatory protein)是一些专门蛋白质,它们决定着何时诱导酶或阻遏酶能够合成。
每种调剂蛋白阻碍一种或多种专门基因的表达。
它们有两种差不多类型:即正调剂蛋白(positive regulator)及负调剂蛋白(neg ative regulator)。
这两种调剂能够由调剂它们的基因之相反效应加以区不。
负调剂蛋白或称阻遏蛋白,会使其靶蛋白的合成受到抑制,即不表达,而不管是否需要。
阻遏物并非永久能阻止mRNA的合成。
否则,它们就将永久抑制其特异蛋白质的合成。
许多阻遏物分子能以活性的及无活性的两种形式存在,这要看它们是否与其适当的诱导物或辅阻遏物(corepressor)结合而定,诱导物的结合可使阻遏物失活。
例如,当与β-半乳糖苷如乳糖或异乳糖(allolactose,乳糖的代谢物,为天然诱导物)结合时,lac阻遏物即不能与其专一的操纵基因结合。
因此,加β半乳糖苷于生长细胞中,以降低lac阻遏蛋白的分子浓度,可使β半乳糖苷酶得以合成。
反之,辅阻遏物的结合则将无活性的阻遏物变为有活性的形式。
这类突变种称为组成突变种(constitutive mutant)。
与此相反,正调剂蛋白是激活蛋白(activator),它的存在对合成所调剂的酶是需要的,因此,激活蛋白存在时被操纵的基因即表达。
２.顺式调控元件和反式调控因子：基因表达的调控差不多上特定的蛋白质分子和特定的DNA序列两个因素相互作用的结果，起调控作用的DNA序列称为顺式调控元件，如乳糖操纵元中的启动子（p）和操纵子（O），起调控作用的蛋白质分子称为反式调控因子，如乳糖操纵子中调剂基因编码的阻遏蛋白、cAmp－CAP复合物。
在原核生物中，通常是几个作用有关的基因在染色体上串连排列在一起，由同一个调控系统来操纵，如此的一个整体称为一个操纵子。
当几种酶参与同一个代谢途径时，往往这几个基因同时被转录为一个多顺反子mRNA。
而真核生物基因差不多上转录成单顺反子的，因此真核生物中没有这种调控机制。
在原核生物中，关于E.coli乳糖代谢的调控研究得最为清晰，下面以E.coli的乳糖操纵子为例来介绍一样操纵子的调控机制。
３.乳糖操纵子的负调控在正常情形下，E.coli是以葡萄糖作为碳源的，在没有葡萄糖，只有乳糖存在的条件下，E.coli也能以乳糖为碳源而生存。
葡萄糖是单糖，E. coli利用它最为方便和经济。
乳糖是双糖，是葡萄糖和半乳糖的复合物。
以乳糖为碳源必须先将乳糖分解为葡萄糖和半乳糖，再将半乳糖转化为葡萄糖，这就需要额外的酶。
β—半乳糖苷酶，将乳糖分解成半乳糖和葡萄糖；半乳糖渗透酶，关心细菌从培养基中摄取乳糖；半乳糖苷转乙酰酶，作用不明。
在有葡萄糖存在时，细菌体内的这三种酶含量专门低。
每个细胞中只有3~5个分子的β—半乳糖昔酶。
当培养基中没有葡萄糖而有乳糖存在时，这三种酶的量急剧增加，2~3分钟内即可增加1000倍以上，而且三种酶成比例增加。
一旦乳糖用完，在2~3分钟内这三种酶的量又专门快下降到本底水平。
乳糖操纵子模型如下：注：a、y、z分不为三个结构基因，O 为操纵基因，p为转录的启动子，I[i]为调控基因i编码一种蛋白质，称为阻遏物。
无乳糖存在时，阻遏物与O结合，关闭三个结构基因，使之不能被转录。
当有乳糖存在时，乳糖的一种代谢产物——不乳糖，与阻遏物结合，改变阻遏物的构象，使阻遏物从O上解离下来，从而打开三个结构基因（使之得以转录成mRNA）。
乳糖用完后，不乳糖的浓度急剧下降，阻遏物不再与不乳糖结合，又与O结合，阻止R NA聚合酶的工作，赶忙关闭结构基因。
原核生物中，大多数的基因都被组织在操纵元中，受到类似的调控。
乳糖操纵子模型有三个差不多假定：调剂基因编码的阻遏蛋白是能够在细胞中扩散的反式调控因子，操纵子（O）是调控序列，不编码蛋白质，操纵子（O）是顺式调控元件，邻近受其操纵的结构基因。
４.乳糖操纵子的正调控在细菌细胞内，ATP在腺苷酸环化酶的作用下转变成环式AMP(c yclic adnosine monophosphate, cAmp)。
环式AMP并不直截了当促进lac mRNA的合成,而靠结合在代谢降解物基因激活蛋白(catabolite-gene activato r protein,简称CAP)上起作用。
细胞内代谢激活蛋白CAP是一个分子量为4 5kD的二聚体，CAP是cAmp的受体蛋白(cyclic Amp receptor protein, CRP)，能操纵RNA聚合酶在乳糖启动子上的结合，对mRNA生长速度都没有任何阻碍，同时只有cAMP与它结合才起作用。
cAmp与CAP结合形成c AMP—CAP复合物，并与DNA专一部位结合,这时就增加邻近操纵子的转录速度。
CAP对一切葡萄糖敏锐的操纵子差不多上正调控因子,故突变的细胞都不能利用大多数的糖，cAMP—CAP复合物也是乳糖操纵元的正调控因子。
CAP当cAMP—CAP复合物插入乳糖操纵子的启动子(ｐ)区域的核苷酸序列中时，使启动子区域的DNA序列弯曲成新的构型，这种新构型有利于提升RNA聚合酶的工作效率。
当细胞中既有不乳糖与阻遏蛋白结合，又有cAMP—CAP复合物与启动子DNA序列结合时，乳糖操纵子的转录效率最高。
然而，细胞内有葡萄糖存在时，葡萄糖抑制腺苷酸环化酶的活性，不能形成cAmp。
因此，乳糖操纵子的表达调控实际上是正调控和负调控协同作用的。
基因表达调控元件的突变：如果调剂基因I发生突变，I＋→I－，或者失去编码阻遏蛋白的功能，或者编码的阻遏蛋白构型发生变化，不能与操纵子结合，从而使操纵元不管有无乳糖存在都一直在表达。
这种不管细胞内需要不需要其编码产物，那个基因都在表达的状况称为组成型表达(c onstitutive expression)，如此的基因突变称为组成型突变(constitutive mutan t)，与组成型表达相对应的概念是特异性表达(specific expression)。
如果操纵元中的操纵子序列发生突变，O→OC，使操纵子DNA序列不能与阻遏蛋白结合，也会使操纵元由特异性表达转变为组成型表达。
5.负控阻遏系统大肠杆菌色氨酸操纵子(tryptophan operon)含有5个结构基因，编码色氨酸生物合成途径中的各种酶。
这些基因从一个启动子起始转录出一条多顺反子的mRNA，与lac操纵子一样，那个启动子受毗邻的操纵区顺序操纵。
转录是通过操纵区和阻遏蛋白操纵的，它的效应物分子是色氨酸，也确实是由trp操纵子的基因所编码的生物合成途径中的末端产物。
当色氨酸专门丰富时，它结合到游离的阻遏物上诱发变构转换，从而使阻遏物紧紧结合在操纵区。
另一方面，当色氨酸供应不足时，阻遏物失去了所结合的色氨酸，从操纵区上解离下来，trp操纵子的转录就此开始。
色氨酸起着trp操纵子的辅阻遏物(corepressor)功能。
随着对色氨酸操纵子的深入研究，发觉有些现象与以阻遏作为唯独调剂机制的观点不相一致，例如，在色氨酸高浓度和低浓度下观看到trp操纵子的表达水平相差约600倍，然而阻遏作用只能够使转录减少70倍，此外，阻遏物失活的突变不能完全排除色氨酸对trp操纵子表达的阻碍。
没有阻遏物时，在培养基中含或不含色氨酸的条件下观看到转录速度相差8～1 0倍。
明显操纵子表达的这种操纵与阻遏物的操纵无关，必定还有其它的调控机制，这种调控机制要紧是通过缺失突变株的研究而发觉的，称为弱化作用(attenuation)。
弱化作用是细菌辅助阻遏作用的一种精细调控。
这一调控作用通过操纵子的前导区内类似于终止子结构的一段DNA序列而实现，它编码一条末端含有多个色氨酸的多肽链-先导肽，被称为弱化子。
当细胞内某种氨基酰tRNA缺乏时，该弱化子不表现终止子功能；当细胞内某种氨酰tRNA 足够时该弱化子表现终止功能，从而达到基因表达调控的目的，只是这种终止作用并不使正在转录中的mRNA全部都中途终止，而是仅有部分中途停止转录，因此称为弱化。
这便是在trp操纵子中所发觉的除阻遏作用以外的另一种调剂功能。
