RNA聚合酶保护区 翻译起始 -35区 10区 ppG转录开始 图4原核生物基因转录起始区 启动子名 35区 0区 P TTGACA...... N17.. TTAACT. N7..A P tyr-tRNA TITACA. N16 TATGAT N7 G P TTGACA N17..TATGTT. N7...A P recA CTGATO 17...... TATAAT.N7.A P ara TTGACA N17.. TACTGT. N7...A 入PR TTGACA ... N17... GATAAT. N6...A 入PL TTGACA N17.. GATACT. N6...A T7 A2 TTGACA... N17.. TACGAT. N6...A fd VI TTGACA. N17. TATAAT. N6. G 不同的启动子序列不同,与RNA聚合酶的亲和力不同,启动转录的频率高低不 同,即不同的启动子起动基因转录的强弱不同,例如:PL、PR、PT7属强启动 子,而Plac则是较弱的启动 (三)操纵子 操纵子( operator)是指能被调控蛋白特异性结合的一段DNA序列,常与启动子邻 近或与启动子序列重叠,当调控蛋白结合在操纵子序列上,会影响其下游基因转 录的强弱。以前许多书中将操纵子称为操纵基因 (operator gene)。但现在基因定 义是为蛋白质编码的核酸序列,而操纵序列并不是编码蛋白质的基因,却是起着
图 4 原核生物基因转录起始区 启动子名 称 －35 区 -10 区 +1 P trp ……TTGACA…… N17……TTAACT… N7……A…… P tyr-tRNA ……TTTACA…… N16……TATGAT… N7…G…… P lac ……TTGACA…… N17……TATGTT… N7…A…… P recA ……CTGATG…… N17……TATAAT… N7…A…… P ara ……TTGACA…… N17……TACTGT… N7…A…… λPR ……TTGACA…… N17……GATAAT… N6…A…… λPL ……TTGACA…… N17……GATACT… N6…A…… T7 A2 ……TTGACA…… N17……TACGAT… N6…A…… fd Ⅷ ……TTGACA…… N17……TATAAT… N6…G…… 不同的启动子序列不同，与 RNA 聚合酶的亲和力不同，启动转录的频率高低不 同，即不同的启动子起动基因转录的强弱不同，例如：PL、PR、P T7 属强启动 子，而 P1ac 则是较弱的启动。 (三)操纵子 操纵子(operator)是指能被调控蛋白特异性结合的一段 DNA 序列，常与启动子邻 近或与启动子序列重叠，当调控蛋白结合在操纵子序列上，会影响其下游基因转 录的强弱。以前许多书中将操纵子称为操纵基因(operator gene)。但现在基因定 义是为蛋白质编码的核酸序列，而操纵序列并不是编码蛋白质的基因，却是起着
调控基因表达强弱的作用,正如启动序列不叫启动基因而称为启动子一样,操纵 序列就可称为操纵子。以前将 operon译为操纵子则可改译为操纵元,即基因表 达操纵的单元之意。 举乳糖操纵元中的操纵子为例,如图5所示,其操纵子(o)序列位于启动子(p)与 被调控的基因之间,部分序列与启动子序列重叠。仔细分析该操纵子序列,可见 这段双链DNA具有回文( palindrome)样的对称性一级结构,能形成十字形的茎环 ( stem loop)构造。不少操纵子都具有类似的对称性序列,可能与特定蛋白质的结 合相关。 诉起始 67 mRNA P区 转录起始 0区序列 +10 TGTITGTGTGGAATTGTGAGCGGATAACAATTTCACACAGG ACAACACACTTAACACTcdCCTATTGTTAAAGTGTG]cc 转录起始点 对称轴 图5乳糖操纵元的P-O区及O区序列 阻遏蛋白与操纵子结合,就妨碍了RNA聚合酶与启动子的结合及其后β一半乳 糖苷酶等基因的转录起始,从而阻遏了这群基因的表达。最早只把与阻遏蛋白结 合、起阻遏作用的序列称为操纵子,但其后发现有的操纵元中同一操纵序列与不 同构像的蛋白质结合,可以分别起阻遏或激活基因表达的作用,阿拉伯糖操纵元 中的序列就是典型的例子。因而凡能与调控蛋白特异性结合、从而影响基因转录 强弱的序列,不论其对基因转录的作用是减弱、阻止或增强、开放,都可称为操 纵子 (四)调控基因
调控基因表达强弱的作用，正如启动序列不叫启动基因而称为启动子一样，操纵 序列就可称为操纵子。以前将 operon 译为操纵子则可改译为操纵元，即基因表 达操纵的单元之意。 举乳糖操纵元中的操纵子为例，如图 5 所示，其操纵子(o)序列位于启动子(p)与 被调控的基因之间，部分序列与启动子序列重叠。仔细分析该操纵子序列，可见 这段双链 DNA 具有回文(palindrome)样的对称性一级结构，能形成十字形的茎环 (stem loop)构造。不少操纵子都具有类似的对称性序列，可能与特定蛋白质的结 合相关。 图 5 乳糖操纵元的 P-O 区及 O 区序列 阻遏蛋白与操纵子结合，就妨碍了 RNA 聚合酶与启动子的结合及其后 β－半乳 糖苷酶等基因的转录起始，从而阻遏了这群基因的表达。最早只把与阻遏蛋白结 合、起阻遏作用的序列称为操纵子，但其后发现有的操纵元中同一操纵序列与不 同构像的蛋白质结合，可以分别起阻遏或激活基因表达的作用，阿拉伯糖操纵元 中的序列就是典型的例子。因而凡能与调控蛋白特异性结合、从而影响基因转录 强弱的序列，不论其对基因转录的作用是减弱、阻止或增强、开放，都可称为操 纵子。 (四)调控基因
调控基因( regulatory gene)是编码能与操纵序列结合的调控蛋白的基因。与操纵子 结合后能减弱或阻止其调控基因转录的调控蛋白称为阻遏蛋白( repressive protein),其介导的调控方式称为负性调控( negative regulation):与操纵子结合后 能增强或起动调控基因转录的调控蛋白称为激活蛋臼( activating protein),所介导 的调控方式称为正性调控( positive regulation)。 某些特定的物质能与调控蛋白结合,使调控蛋白的空间构像发生变化,从而改变 其对基因录的影响,这些特定物质可称为效应物 effector)),其中凡能引起诱导发 生的分子称为诱导剂( inducer),能导致阻遏发生的分子称为阻遏剂或辅助阻遏剂 (corepressor) 例如在乳糖操纵元中,调控基因1acI位于Plac邻近,有其自身的启动子和终止 子,转录方向和结构基因群的转录方向一致,编码产生由347个氨基酸组成的调 控蛋白R,在环境没有乳糖存在的情况下,R形成分子量为152000的活性四聚 体,能特异地与操纵子o紧密结合,从而阻止利用乳糖的酶类基因的转录,所以 R是乳糖操纵元的阻遏蛋白;当环境中有足够的乳糖时,乳糖受β一半乳糖苷酶 作用转变为别乳糖,别乳糖与R结合,使R的空间构像变化,四聚体解聚成单 体,失去与操纵子特异性紧密结合的能力,从而解除了阻遏蛋白的作用,使其后 的基因得以转录合成利用乳糖的酶类。在这过程中乳糖(实际起作用的是别乳糖) 就是诱导剂,与R结合起到去阻遏作用 derepression),诱导了利用乳糖的酶类基 因转录开放。 许多调控蛋白都是变构蛋白 allosteric protein),通过与上述类似的方式与效应物 结合变空间构像,从而改变活性,起到调节基因转录表达的作用。 (五)终止子 终止子 terminator T是给予RNA聚合酶转录终止信号的DNA序列。在一个操纵 元中至少在构基因群最后一个基因的后面有一个终止子 终止子按其作用是否需蛋白因子的协助至少可以分为两类:一类是不依赖ρ因子 (蛋白性终止因子)的终止子,这类终止子在序列上有一些共通的特点,即有一段
调控基因(regulatory gene)是编码能与操纵序列结合的调控蛋白的基因。与操纵子 结合后能减弱或阻止其调控基因转录的调控蛋白称为阻遏蛋白(repressive protein)，其介导的调控方式称为负性调控(negative regulation)；与操纵子结合后 能增强或起动调控基因转录的调控蛋白称为激活蛋白(activating protein)，所介导 的调控方式称为正性调控(positive regulation)。 某些特定的物质能与调控蛋白结合，使调控蛋白的空间构像发生变化，从而改变 其对基因录的影响，这些特定物质可称为效应物(effector)，其中凡能引起诱导发 生的分子称为诱导剂(inducer)，能导致阻遏发生的分子称为阻遏剂或辅助阻遏剂 (corepressor)。 例如在乳糖操纵元中，调控基因 1ac I 位于 P1ac 邻近，有其自身的启动子和终止 子，转录方向和结构基因群的转录方向一致，编码产生由 347 个氨基酸组成的调 控蛋白 R，在环境没有乳糖存在的情况下，R 形成分子量为 152000 的活性四聚 体，能特异地与操纵子 o 紧密结合，从而阻止利用乳糖的酶类基因的转录，所以 R 是乳糖操纵元的阻遏蛋白；当环境中有足够的乳糖时，乳糖受 β－半乳糖苷酶 作用转变为别乳糖，别乳糖与 R 结合，使 R 的空间构像变化，四聚体解聚成单 体，失去与操纵子特异性紧密结合的能力，从而解除了阻遏蛋白的作用，使其后 的基因得以转录合成利用乳糖的酶类。在这过程中乳糖(实际起作用的是别乳糖) 就是诱导剂，与 R 结合起到去阻遏作用(derepression)，诱导了利用乳糖的酶类基 因转录开放。 许多调控蛋白都是变构蛋白(allosteric protein)，通过与上述类似的方式与效应物 结合变空间构像，从而改变活性，起到调节基因转录表达的作用。 (五)终止子 终止子(terminator T)是给予 RNA 聚合酶转录终止信号的 DNA 序列。在一个操纵 元中至少在构基因群最后一个基因的后面有一个终止子。 终止子按其作用是否需蛋白因子的协助至少可以分为两类：一类是不依赖 ρ 因子 (蛋白性终止因子)的终止子，这类终止子在序列上有一些共通的特点，即有一段
富含GC的反向重复序列( inverted repeat sequence),其后跟随一段富含AT的序 列(见图6),因而转录生成的mRNA的序列中能形成发夹式结构,后继一连串U 正是RNA聚合酶转录生成的这段mRNA的结构阻止RNA聚合酶继续沿DNA 移动,并使聚合酶从DNA链上脱落下来,终止转录。另一类是依赖ρ因子的终 止子,即其终止转录的作用需要p因子的协同,或至少是受p因子的影响 DNA TTGCAGOCTGAGAAATCAGGCTGATGGCTGGTGACTTTTTTAGTCACCAGCCTTTTT 转录 RNA UUU 图6原核生物终止子的结构 不同的终止子的作用也有强弱之分,有的终止子几乎能完全停止转录;有的则只 是部分终止转录,一部分RNA聚合酶能越过这类终止序列继续沿DNA移动并 转录。如果一串结构基因群中间有这种弱终止子的存在,则前后转录产物的量会 有所不同,这也是终止子调节基因群中不同基因表达产物比例的一种方式。有的 蛋白因子能作用于终止序列,减弱或取消终止子的作用,称为抗终止作用 ( antitermination),这种蛋白因子就称为抗终止因子 antiterminator) 以上5种元件是每一个操纵元必定含有的。其中启动子、操纵子位于紧邻结构基 因群的上游,终止子在结构基因群之后,它们都在结构基因的附近,只能对同 条DNA链上的基因表达起调控作用,这种作用在遗传学实验上称为顺式作用 ( cis action),启动子、操纵子和终止子就属于顺式作用元件( cis acting element) 调控基因可以在结构基因群附近、也可以远离结构基因,它是通过其基因产物棗 调控蛋白来发挥作用的,因而调控基因不仅能对同一条DNA链上的结构基因起 表达调控作用,而且能对不在一条DNA链上的结构基因起作用,在遗传学实验
富含 GC 的反向重复序列(inverted repeat sequence)，其后跟随一段富含 AT 的序 列(见图 6)，因而转录生成的 mRNA 的序列中能形成发夹式结构，后继一连串 U， 正是 RNA 聚合酶转录生成的这段 mRNA 的结构阻止 RNA 聚合酶继续沿 DNA 移动，并使聚合酶从 DNA 链上脱落下来，终止转录。另一类是依赖 ρ 因子的终 止子，即其终止转录的作用需要 ρ 因子的协同，或至少是受 ρ 因子的影响。 图 6 原核生物终止子的结构 不同的终止子的作用也有强弱之分，有的终止子几乎能完全停止转录；有的则只 是部分终止转录，一部分 RNA 聚合酶能越过这类终止序列继续沿 DNA 移动并 转录。如果一串结构基因群中间有这种弱终止子的存在，则前后转录产物的量会 有所不同，这也是终止子调节基因群中不同基因表达产物比例的一种方式。有的 蛋白因子能作用于终止序列，减弱或取消终止子的作用，称为抗终止作用 (antitermination)，这种蛋白因子就称为抗终止因子(antiterminator)。 以上 5 种元件是每一个操纵元必定含有的。其中启动子、操纵子位于紧邻结构基 因群的上游，终止子在结构基因群之后，它们都在结构基因的附近，只能对同一 条 DNA 链上的基因表达起调控作用，这种作用在遗传学实验上称为顺式作用 (cis action)，启动子、操纵子和终止子就属于顺式作用元件(cis acting element)。 调控基因可以在结构基因群附近、也可以远离结构基因，它是通过其基因产物棗 调控蛋白来发挥作用的，因而调控基因不仅能对同一条 DNA 链上的结构基因起 表达调控作用，而且能对不在一条 DNA 链上的结构基因起作用，在遗传学实验
CAP 042 3510 半乳糖苷 (四聚体 透过麝转乙酰是上称为反式作用( trans action),调控基 因就属于反式作用元件 trans acting CH OH CH OH element),其编码产生的调控蛋白称为反 式调控因子( trans acting factor) 半乳 由此也可窥测到,基因表达调控机理的关键在蛋白质与核酸的相互作用上。 、乳糖操纵元的表达调控 如上所述乳糖操纵元的结构及其基因表达调控可综合于图7 图7乳糖操纵元的结构及调控示意图 (一)阻遏蛋白的负性调控 当大肠杄菌在没有乳糖的环境中生存时,1ac操纵元处于阻遏状态。i基因在其 自身的启动子Pi控制下,低水平、组成性表达产生阻遏蛋白R,每个细胞中仅 维持约10个分子的阻遏蛋白。R以四聚体形式与操纵子o结合,阻碍了RNA聚 合酶与启动子Plac的结合,阻止了基因的转录起动。R的阻遏作用不是绝对的, R与o偶尔解离,使细胞中还有极低水平的β一半乳糖苷酶及透过酶的生成。 当有乳糖存在时,乳糖受β一半乳糖苷酶的催化转变为别乳糖,与R结合,使R 构象变化,R四聚体解聚成单体,失去与o的亲和力,与o解离,基因转录开放, β一半乳糖苷酶在细胞内的含量可增加1000倍。这就是乳糖对1ac操纵元的诱导 作用
上称为反式作用(trans action)，调控基 因就属于反式作用元件(trans acting element)，其编码产生的调控蛋白称为反 式调控因子(trans acting factor)。 由此也可窥测到，基因表达调控机理的关键在蛋白质与核酸的相互作用上。 三、乳糖操纵元的表达调控 如上所述乳糖操纵元的结构及其基因表达调控可综合于图 7。 图 7 乳糖操纵元的结构及调控示意图 (一)阻遏蛋白的负性调控 当大肠杆菌在没有乳糖的环境中生存时，1ac 操纵元处于阻遏状态。i 基因在其 自身的启动子 Pi 控制下，低水平、组成性表达产生阻遏蛋白 R，每个细胞中仅 维持约 10 个分子的阻遏蛋白。R 以四聚体形式与操纵子 o 结合，阻碍了 RNA 聚 合酶与启动子 P1ac 的结合，阻止了基因的转录起动。R 的阻遏作用不是绝对的， R 与 o 偶尔解离，使细胞中还有极低水平的 β－半乳糖苷酶及透过酶的生成。 当有乳糖存在时，乳糖受 β－半乳糖苷酶的催化转变为别乳糖，与 R 结合，使 R 构象变化，R 四聚体解聚成单体，失去与 o 的亲和力，与 o 解离，基因转录开放， β－半乳糖苷酶在细胞内的含量可增加 1000 倍。这就是乳糖对 1ac 操纵元的诱导 作用