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2、乳糖操纵元 大肠杆菌的乳糖降解代谢途径： Monod等发现，当大肠杆菌生长在含有乳糖的培养基上时，乳糖代谢酶浓度急剧增加；当培养基中没有乳糖时，乳糖代谢基因不表达，乳糖代谢酶合成停止。 为此，Jacob和Monod（1961）提出了乳糖操纵元模型，用来阐述乳糖代谢中基因表达的调控机制 图 8－9 乳糖操纵元模型及对有无乳糖的反应 两种组成型突变： I→I—，O→Oc, 在有无诱导物时均可大量组成型表达 乳糖操纵元模型 乳糖操纵元的负调控 乳糖操纵元的正调控 除了阻遏蛋白能抑制lac操纵元转录外，其它因子也能有效地抑制lac mRNA转录，这个因子的活性与葡萄糖有关： →葡萄糖抑制腺苷酸环化酶的活性 →腺苷酸环化酶催化ATP前体→cAmp →cAmp+代谢激活蛋白(CAP)→ cAmp-CAP复合物，作为操纵元的 正调控因子 →当cAmp-CAP复合物的二聚体插入到lac启动子区域特异核苷酸序列时，使启动子DNA弯曲形成新的构型，RNA聚合酶与这种 DNA 新构型的结合更加牢固，因而转录效率更高。 →在有葡萄糖存在时，不能形成cAmp，也就没有操纵元的正调控因子cAmp-CAP复合物，因此基因不表达。 乳糖操纵元的正调控 目前，通过遗传分析证明lac操纵元的存在；已经分离出阻遏蛋白，并成功地测定了阻遏蛋白的结晶结构，以及阻遏蛋白与诱导物及操纵子序列结合的结构 图 8－14 乳糖操纵元的不同调控位点 a：CAP结合位点；b：RNA聚合酶结合位点；R：形成抑制环的区域，下面的数字表示转录起始点上下游的碱基数 3、色氨酸操纵元 大肠杆菌色氨酸操纵元是合成代谢途径中基因调控的典型例子： 色氨酸操纵元包括色氨酸合成中5种酶的结构基因。当培养基中有色氨酸时，色氨酸操纵元5种酶的转录同时受到抑制；在色氨酸供应不足时，发生转录。 色氨酸直接作为阻遏物而不是诱导物参与调控色氨酸mRNA的转录。因此trp操纵元是一个典型的可阻遏操纵元 图 8－15 色氨酸操纵元的组成 1）阻遏物trp R由相距较远的阻遏物基因编码→无辅基阻遏物 + trp→活性无辅基阻遏物—色氨酸复合物，与操纵子结合，阻止转录 2）色氨酸不足时，无辅基阻遏物的三维空间结构发生改变，不能与操纵子结合，进行转录 活性的阻遏物与操纵子结合并不足以抑制转录的起始。（弱化子） 3）弱化作用：在高浓度色氨酸存在时，转录的前导序列mRNA只含有140个核苷酸，其中有一段28bp的弱化子区域，它在转录后可迅速形成发夹环结构，RNA聚合酶转录时不能通过这种发夹环结构。所以弱化子是一种内部终止子。 4）无色氨酸时，由于前导肽中色氨酸密码子的作用，使弱化子不能形成发夹结构而成为单链。RNA聚合酶则通过弱化子，继续向前转录结构基因。 图 8－16 色氨酸前导序列经碱基配对形成几种二级结构 4、阿拉伯糖操纵元 阿拉伯糖操纵元也是解释代谢途径的调控系统，它具有一些与lac操纵元相似的特点，但与前述两种操纵元系统的显著区别是它的同一种调控蛋白--Ara C调控蛋白既可起正调控,也可起负调控作用 A、阿拉伯糖操纵元的组成。R：调控基因araC编码AraC蛋白；O：操纵子位点；I：诱导位点，具有CAP结合位点。 B、有ara时，AraC与I位点结合，CAP-cAmp与CAP位点结合，诱导表达结构基因，为正调控。 C、无ara时，没有CAP-cAmp复合体与CAP位点结合，AraC二聚体(D)与I及O2同时结合，形成抑制环，抑制转录，表现为负调控。 5、翻译水平的调控 反馈调控机制：大肠杆菌有7个操纵元与核糖体蛋白质合成有关。从这些操纵元转录的每一种mRNA，能够被同一操纵元编码的核糖体蛋白质识别与结合。如果其中有一种核糖体蛋白质过量积累，都将与其自身的mRNA结合，阻止进一步翻译。这种结合位点通常包括mRNA 5’端非翻译区，也包括启动子区域的 Shine-Dalgarno 序列。 反义RNA调控：反义RNA可与目的基因的5’UTR互补配对，配对的区域通常也包括启动子的Shine-Dalgarno序列，使mRNA不能与核糖体有效结合，从而阻止蛋白质的合成。 反义RNA基因已被导入真核细胞，控制真核生物基因表达。例如，将乙烯形成酶基因的反义RNA导入蕃茄，大大延长了蕃茄常温贮藏期。 二、真核生物的基因调控 真核生物基因调控远比原核生物复杂： 1）高等真核生物的基因组远比细菌的基 因组大得多 2）很多重复序列与调控作用有关 3）染色质结构的变化可以调控基因表达 4）存在同一染色体上不同基因间的调控 ，也存在不同染色体之间的基因调控 调控发生在DNA水平，转录水平，转录后修饰，翻译水平和翻译后修饰等