半乳糖操纵子

1. 半乳糖操纵子

2. 大肠杆菌半乳糖操纵子(galactose operon)包括3个结构基因： • 异构酶(UDP-galactose-4epimerase,galE)，半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷转移酶(galactose transferase, galT)，半乳糖激酶(galactose kinase, galk)。 • 这3个酶的作用是使半乳糖变成葡萄糖-1-磷酸。GalR与galE、T、K及操纵区O等离得很远，而galR产物对galO的作用与lacI-lacO的作用相同。

3. gal操纵子的特点： • ① 它有两个启动子，其mRNA可从两个不同的起始点开始转录； • ② 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。

4. 因为半乳糖的利用效率比葡萄糖低，人们猜想葡萄糖存在时半乳糖操纵子不被诱导，但实际上有葡萄糖存在时，gal操纵子仍可被诱导。因为半乳糖的利用效率比葡萄糖低，人们猜想葡萄糖存在时半乳糖操纵子不被诱导，但实际上有葡萄糖存在时，gal操纵子仍可被诱导。 • 现已分离到一些突变株，其中一类突变株能在不含葡萄糖的培养基中高水平合成半乳糖代谢酶类（gal结构基因高效表达）； • 而另一类突变株中gal基因的表达完全依赖于葡萄糖，培养基中如无葡萄糖存在，这些细菌的gal基因不表达，不合成半乳糖代谢酶类。

5. 分析gal操纵子P-O区的DNA序列发现，该操纵子确实存在两个相距仅5bp的启动子，可以分别起始mRNA的合成。每个启动子拥有各自的RNA聚合酶结合位点S1和S2。分析gal操纵子P-O区的DNA序列发现，该操纵子确实存在两个相距仅5bp的启动子，可以分别起始mRNA的合成。每个启动子拥有各自的RNA聚合酶结合位点S1和S2。 • 从S1起始的转录只有在培养基中无葡萄糖时，才能顺利进行，RNA聚合酶与S1的结合需要半乳糖、CAP和较高浓度的cAMP。 • 从S2起始的转录则完全依赖于葡萄糖，高水平的cAMP-CAP能抑制由这个启动子起始的转录。当有cAMP-CAP时，转录从S1开始，当无cAMP-CAP时，转录从S2开始。

6. 为什么gal操纵子需要两个转录起始位点？ • 半乳糖不仅可以作为唯一碳源供细胞生长，而且与之相关的物质--尿苷二磷酸半乳糖（UDPgal）是大肠杆菌细胞壁合成的前体。在没有外源半乳糖的情况下，UDP-gal是通过半乳糖差向异构酶的作用由UDP-葡萄糖合成的，该酶是galE基因的产物。

7. 生长过程中的所有时间里细胞必须能够合成差向异构酶。现在设想只有S1一个启动子，那么由于这个启动子的活性依赖于cAMP-CRP，当培养基中有葡萄糖存在时就有能合成异构酶。生长过程中的所有时间里细胞必须能够合成差向异构酶。现在设想只有S1一个启动子，那么由于这个启动子的活性依赖于cAMP-CRP，当培养基中有葡萄糖存在时就有能合成异构酶。 • 假如唯一的启动子是S2，那么，即使在葡萄糖存在的情况下，半乳糖也将使操纵子处于充分诱导状态，这无疑是一种浪费。无论从必要性或经济性考虑，都需要一个不依赖于cAMP-CAP的启动子（S1）对高水平合成进行调节。

9. Map of the E. coli gal operon and nucleotide sequence of the regulatory region

10. 组氨酸操纵子 • 与His降解代谢有关的两组酶类被称为hut酶(histidine utilizing enzyme)，控制这些酶合成的操纵子被称为hut operon。由一个多重调节的操纵子控制，有两个启动子，两个操纵区及两个正调节蛋白。Hut操纵子共编码4种酶和一个阻遏物。4种酶分别由hutG、hutH、hutI及hutU基因编码，阻遏物则由hutC基因编码。在产气克氏菌中，以上基因构成两个转录单位，hutI、hutG、hutC和hutU、hutH分别被转录合成两条mRNA长链。这两个转录单位各自都有一个启动子和一个操纵区，其转录过程都是从左向右进行的，hutC阻遏物能与每个操纵区相结合。

12. 无论以组氨酸作为唯一碳源或氮源，hut操纵子都会处于有活性状态。Hut操纵子的每一个启动子上都有cAMP-CAP结合位点，当碳供应匮乏时，能合成cAMP，出现cAMP-CAP复合物，并与操纵区上的相应位点结合，诱发基因转录。虽然尚不清楚氮源缺乏时的信号是什么，但它很可能也是一个正效应子。无论以组氨酸作为唯一碳源或氮源，hut操纵子都会处于有活性状态。Hut操纵子的每一个启动子上都有cAMP-CAP结合位点，当碳供应匮乏时，能合成cAMP，出现cAMP-CAP复合物，并与操纵区上的相应位点结合，诱发基因转录。虽然尚不清楚氮源缺乏时的信号是什么，但它很可能也是一个正效应子。

13. 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。

15. II. 核糖体蛋白SI操纵子 • 核糖体蛋白SI操纵子（rpsA），它也受应急反应调节。RpsA有4个启动子，P1、P2是强启动子，平时主要依靠它们来启动基因的表达，合成SI蛋白。P3、P4是弱启动子，只有在紧急情况下，P1、P2启动子受ppGpp的抑制，由P3、P4起始合成的SI蛋白维持了生命的最低需要。

16. III. Dna Q蛋白操纵子DnaQ蛋白是DNA聚合酶全酶的亚基之一，其主要功能是校正DNA复制中可能出现的错误。在RNA聚合酶活性较低时，操纵子的转录由弱启动子P2控制；而RNA聚合酶活性较高时，就开始利用强启动子P1。

18. 原核生物的转录后调控 • 1．稀有密码子对翻译的影响 • 已知dnaG和rpoD（编码RNA聚合酶亚基）及rpsU（30S核糖体上的S21б蛋白）属于大肠杆菌基因组上的同一个操纵子，而这3个基因产物在数量上却大不相同，每个细胞内仅有dnaG产物50拷贝，而rpoD为2800拷贝，rpsU则高达40 000拷贝之多。细胞通过翻译调控，解决了这个问题。

19. 研究dnaG序列发现其中含有不少稀有密码子，也就是说这些密码子在其他基因中利用频率很低，而在dnaG中却很高。研究dnaG序列发现其中含有不少稀有密码子，也就是说这些密码子在其他基因中利用频率很低，而在dnaG中却很高。 • 许多调控蛋白如LacI、AraC、TrpR等在细胞内含量也很低，编码这些蛋白的基因中密码子的使用频率和dnaG相似，而明显不同于非调节蛋白。高频率使用这些密码子的基因翻译过程极容易受阻，影响了蛋白质合成的总量。

20. 2. 重叠基因对翻译的影响 • 重叠基因最早在大肠杆菌噬菌体ΦX174中发现，用不同的阅读方式得到不同的蛋白质，丝状RNA噬菌体、线粒体DNA和细菌染色体上都有重叠基因存在。 • Trp操纵子由5个基因（trpE、D、C、B、A）组成，在正常情况下，操纵子中5个基因产物是等量的，但trpE突变后，其邻近的trpD产量比下游的trpBA产量要低得多。这种与ρ蛋白无关的表达调控，已被证实是在翻译水平上的调控。

21. 研究trpE和trpD以及trpB和trpA两对基因中核苷酸序列与翻译耦联的关系，发现trpE基因的终止密码子和trpD基因的起始密码子共用一个核苷酸。研究trpE和trpD以及trpB和trpA两对基因中核苷酸序列与翻译耦联的关系，发现trpE基因的终止密码子和trpD基因的起始密码子共用一个核苷酸。 • 由于trpE的终止密码子与trpD的起始密码重叠，trpE翻译终止时核糖体立即处在起始环境中，这种重叠的密码保证了同一核糖体对两个连续基因进行翻译的机制。

22. 3. RNA高级结构对翻译的影响 • 以RNA噬菌体f2的RNA作为模板，在大肠杆菌无细胞系统中进行蛋白质合成时，大部分合成外壳蛋白，RNA聚合酶只占外壳蛋白的1/3。用同位素标记分析RNA噬菌体几种蛋白质的起译过程，发现外壳蛋白翻译频率比合成酶至少要高3倍。

23. 研究发现f2外壳蛋白基因的突变也影响了RNA聚合酶合成的起始。但若该突变不是发生在外壳蛋白接近翻译起始区，而是较靠后的位点，对RNA聚合酶的起译就没有影响。研究发现f2外壳蛋白基因的突变也影响了RNA聚合酶合成的起始。但若该突变不是发生在外壳蛋白接近翻译起始区，而是较靠后的位点，对RNA聚合酶的起译就没有影响。 • 现在一般认为，聚合酶的翻译起始区被RNA的高级结构所掩盖，外壳蛋白的起始翻译破坏了RNA的立体构象，使核糖体有可能与翻译起始区结合，导致聚合酶的起译。用甲醛处理RNA可以增加聚合酶的产量，这说明RNA的高级结构对基因表达调控的可能性。

24. 4. 魔斑核苷酸水平对翻译的影响 • 科学上，把培养基中营养缺乏，蛋白质合成停止后，RNA合成也趋于停止这种现象称为严紧控制（rel+）；反之则称为松散控制（rel-）。研究发现，在氨基酸缺乏时，rel+菌株能合成鸟苷四磷酸（ppGpp）和五磷酸（pppGpp），而rel-菌则不能。

25. GTP+ATP→pppGpp+AMP→ppGpp  ppGpp的主要作用可能是影响RNA聚合酶与启动子结合的专一性，从而成为细胞内严紧控制的关键。当细胞缺乏氨基酸时产生ppGpp，可在很大范围内做出应急反应，如抑制核糖体和其他大分子的合成，活化某些氨基酸操纵子的转录表达，抑制与氨基酸运转无关的转运系统，活化蛋白水解酶等。