1)操纵子模式。这种模式属于负控制,调节区敞开让RNA聚合酶通过,当它与组遏蛋 白结合后关闭。操纵子模式控制的典型代表是乳糖(lac)操纵子(见图9.2.1),大肠杆菌的 乳糖操纵子含有三个结构基因,分别表达β一半乳糖苷酶()、半乳糖苷渗透酶(Y)和硫代半 乳糖苷转乙酰酶(A),这些基因的表达受到阻遏蛋白的控制,阻遏蛋白的结构基因则位于乳 糖操纵子的第二个转录单元中,1ac阻遏蛋白由四个紧密结合在一起的分子量同为38,000 的子单元组成,作用区域位于启动子P和Z基因之间。一旦与操纵子(0)结合,lac阻遏蛋 白就很难解离,加入诱导剂后不能直接取代阻遏蛋白,而是通过与阻遏蛋白和操纵子的复合 物作用,使其结构不稳定并发生构型变化,然后才能取而代之,使酶的结构基因发生转录 环腺苷一磷酸(cAMP)、cAMP/CRP(环腺苷酸受体蛋白)复合物及RNA聚合酶(RNA)则将分别 键合到启动子各自的位点上 CAMP RNA阻遇子 I P 38,000 135,000 30,00032,000 阻遇子 半乳糖苷酶 渗透酶转乙酰酶 图92.1乳糖操纵子原理示意图 ind RNAp 调节子 微菌异构菌差向异构 图9.22阿拉伯糖操纵子控制原理示意图 2)启动子模式。这种模式属于正控制,调节区本身是关闭的,不允许RNA聚合酶通过,只有 当它与活化蛋白结合后,操纵子打开使RNA聚合酶得以通过,转录随之开始。启动子模式的 典型代表是如图9.2.2所示的阿拉伯糖(ara)操纵子。ara操纵子中包括三种与L-阿拉伯糖 6
6 1)操纵子模式。这种模式属于负控制, 调节区敞开让 RNA 聚合酶通过, 当它与组遏蛋 白结合后关闭。操纵子模式控制的典型代表是乳糖(lac)操纵子(见图 9.2.1), 大肠杆菌的 乳糖操纵子含有三个结构基因, 分别表达−半乳糖苷酶(Z)、半乳糖苷渗透酶(Y)和硫代半 乳糖苷转乙酰酶(A), 这些基因的表达受到阻遏蛋白的控制, 阻遏蛋白的结构基因则位于乳 糖操纵子的第二个转录单元中, lac 阻遏蛋白由四个紧密结合在一起的分子量同为 38,000 的子单元组成, 作用区域位于启动子 P 和 Z 基因之间。一旦与操纵子(O)结合, lac 阻遏蛋 白就很难解离, 加入诱导剂后不能直接取代阻遏蛋白，而是通过与阻遏蛋白和操纵子的复合 物作用, 使其结构不稳定并发生构型变化, 然后才能取而代之, 使酶的结构基因发生转录； 环腺苷一磷酸(cAMP)、cAMP/CRP（环腺苷酸受体蛋白）复合物及 RNA 聚合酶(RNAP)则将分别 键合到启动子各自的位点上。 图 9.2.1 乳糖操纵子原理示意图 图 9.2.2 阿拉伯糖操纵子控制原理示意图 2)启动子模式。这种模式属于正控制, 调节区本身是关闭的, 不允许 RNA 聚合酶通过, 只有 当它与活化蛋白结合后, 操纵子打开使 RNA 聚合酶得以通过, 转录随之开始。启动子模式的 典型代表是如图 9.2.2 所示的阿拉伯糖(ara)操纵子。ara 操纵子中包括三种与 L-阿拉伯糖
转化为D-木酮糖-5-磷酸有关的酶(arB、A和D)、两种传递酶及一种低分子量渗透酶(araE) 的结构基因,操纵子的控制区如图9.2.2的放大部分所示。当araC基因表达的蛋白质是阻 遏蛋白构型(C)并与操纵子的活性位点结合时,酶的结构基因转录不能进行,而且占据了 两个cAMP/CRP复合物的结合位点。加入诱导剂后,使C"改变成了活化型(C"),cAMP/CRP 复合物也重新与操纵子结合,在两者的共同作用下,酶的转录开始 阻遇蛋白 阻遏蛋白 阻退蛋白 RNA I RNA G C 转录 氨基水解酶亚胺水解酶阻遏蛋白尿狗酸酶组氨酸酶 图9.2.3 Salmonella typhimurium中醇合成的双操纵子自诱导模型 除了以上两类由诱导剂引起的酶合成调节机理外,原核生物中还存在着自发的阻遏蛋 白-控制的诱导机制,典型例子是在沙门氏菌 Salmonella typhimurium中与组氨酸酶(hut) 有关的双操纵子模型(见图9.2.3)。两个操纵子的核苷序列不完全相同,右面操纵子与阻遏 蛋白的结合能力比左面的强3-4倍,位于左面操纵子中的hu基因编码阻遏蛋白,该蛋白 与操纵子结合,完全阻遏了右面操纵子的转录,但是左面的操纵子仍能够进行少量的转录 由于细胞中总是存在着生理浓度的组氨酸及组氨酸酶,因此会产生少量的尿狗酸,尿狗酸则 是操纵子的诱导剂,它使阻遏蛋白失活,两个操纵子就能够启动结构基因的转录并导致酶蛋 白表达。与此同时,加C基因表达的阻遏蛋白量也增加,因此系统将处于一个动态平衡中。 9.32真核微生物产酶的基因水平调节和控制 真核微生物产酶的基因水平调节和控制与原核生物有很大的差别,其调节和控制机理 也要复杂得多 真核微生物mRNA的两端都经过了修饰,其中5’端是甲基化的核苷酸片段,有一个含三 个磷酸基团的鸟嘌呤残基通过独特的5°-5°键连接截断了mRNA最后第二个碱基。这个5’-帽 通过削弱5外切核苷酸酶的活性从而加强了皿RNA的稳定性,有利于7-甲基鸟嘌呤与核糖体 的结合,提高了翻译的效率。mRNA的3端含有一个很长的腺苷残基(PlA),其功能是为蛋 白质的键合提供位点,有利于在细胞质中的传递和稳定性。这种两端修饰过的RNA称为核 RNA(hRNA),只有经过内切核酸酶的加工才能成为mRNA,因此与原核生物相比多了一个调 节和控制步骤。 在真核微生物中同样存在转录控制。以酵母为例,已经证实细胞色素C基因(cyc1)和 与嘧啶生物合成有关的ura3基因都受到转录控制,存在着与原核生物中类似的操纵子,但 真核生物的操纵子一般都属于正控制。图9.2.4显示了酵母细胞中的半乳糖利用系统,该系 统包括三种酶:一种激酶(ga11)、尿嘧啶转移酶(gal9)、差向异构酶(gal10)和一种传递 蛋白的结构基因
7 转化为 D-木酮糖-5-磷酸有关的酶(araB、A 和 D)、两种传递酶及一种低分子量渗透酶(araE) 的结构基因, 操纵子的控制区如图 9.2.2 的放大部分所示。当 araC 基因表达的蛋白质是阻 遏蛋白构型(Crep)并与操纵子的活性位点结合时, 酶的结构基因转录不能进行，而且占据了 两个 cAMP/CRP 复合物的结合位点。加入诱导剂后, 使 C rep 改变成了活化型(Cind), cAMP/CRP 复合物也重新与操纵子结合, 在两者的共同作用下, 酶的转录开始。 图 9.2.3 Salmonella typhimurium 中酶合成的双操纵子自诱导模型 除了以上两类由诱导剂引起的酶合成调节机理外, 原核生物中还存在着自发的阻遏蛋 白-控制的诱导机制, 典型例子是在沙门氏菌 Salmonella typhimirium 中与组氨酸酶(hut) 有关的双操纵子模型(见图 9.2.3)。两个操纵子的核苷序列不完全相同, 右面操纵子与阻遏 蛋白的结合能力比左面的强 3-4 倍, 位于左面操纵子中的 hutC 基因编码阻遏蛋白, 该蛋白 与操纵子结合, 完全阻遏了右面操纵子的转录，但是左面的操纵子仍能够进行少量的转录。 由于细胞中总是存在着生理浓度的组氨酸及组氨酸酶, 因此会产生少量的尿狗酸, 尿狗酸则 是操纵子的诱导剂, 它使阻遏蛋白失活, 两个操纵子就能够启动结构基因的转录并导致酶蛋 白表达。与此同时, hutC 基因表达的阻遏蛋白量也增加, 因此系统将处于一个动态平衡中。 9.3.2 真核微生物产酶的基因水平调节和控制 真核微生物产酶的基因水平调节和控制与原核生物有很大的差别, 其调节和控制机理 也要复杂得多。 真核微生物 mRNA 的两端都经过了修饰, 其中 5’端是甲基化的核苷酸片段, 有一个含三 个磷酸基团的鸟嘌呤残基通过独特的 5’-5’键连接截断了 mRNA 最后第二个碱基。这个 5’-帽 通过削弱 5’外切核苷酸酶的活性从而加强了 mRNA 的稳定性, 有利于 7-甲基鸟嘌呤与核糖体 的结合，提高了翻译的效率。mRNA 的 3’端含有一个很长的腺苷残基(PolyA), 其功能是为蛋 白质的键合提供位点, 有利于在细胞质中的传递和稳定性。这种两端修饰过的 RNA 称为核 RNA(hmRNA), 只有经过内切核酸酶的加工才能成为 mRNA, 因此与原核生物相比多了一个调 节和控制步骤。 在真核微生物中同样存在转录控制。以酵母为例, 已经证实细胞色素 C 基因(cyc 1)和 与嘧啶生物合成有关的 ura 3 基因都受到转录控制, 存在着与原核生物中类似的操纵子, 但 真核生物的操纵子一般都属于正控制。图 9.2.4 显示了酵母细胞中的半乳糖利用系统, 该系 统包括三种酶: 一种激酶(gal 1)、尿嘧啶转移酶(gal 9)、差向异构酶(gal 10)和一种传递 蛋白的结构基因