5.1 基因表达调控概述
调控层次
基因表达调控发生在多个层次：DNA → 转录 → RNA加工 → 翻译 → 蛋白质修饰
原核生物特点：
- 转录和翻译偶联（无核膜分隔）
- 以操纵子为单位组织基因
- 主要调控点在转录水平
- 快速响应环境变化
调控类型
| 类型 | 机制 | 实例 |
|---|---|---|
| 负调控 | 阻遏蛋白抑制转录 | 乳糖操纵子 |
| 正调控 | 激活蛋白促进转录 | CAP-cAMP |
| 双重调控 | 正负调控结合 | 乳糖操纵子 |
5.2 操纵子模型
操纵子结构
操纵子（Operon）是原核生物基因调控的基本单位：
调节基因 → 启动子 → 操纵基因 → 结构基因群
| 元件 | 功能 |
|---|---|
| 调节基因 | 编码调控蛋白（阻遏蛋白/激活蛋白） |
| 启动子 | RNA聚合酶结合位点 |
| 操纵基因 | 阻遏蛋白结合位点 |
| 结构基因 | 编码功能相关的蛋白质 |
5.3 乳糖操纵子
负调控机制
乳糖操纵子（Lac operon）是负调控的经典模型：
结构：
- 调节基因 lacI：编码阻遏蛋白
- 启动子 P_lac：RNA聚合酶结合
- 操纵基因 O：阻遏蛋白结合
- 结构基因：lacZ（β-半乳糖苷酶）、lacY（通透酶）、lacA（转乙酰基酶）
| 条件 | 阻遏蛋白状态 | 操纵基因 | 转录 |
|---|---|---|---|
| 无乳糖 | 活性形式 | 结合 | 关闭 |
| 有乳糖 | 结合诱导物失活 | 不结合 | 开启 |
正调控机制
CAP蛋白（Catabolite Activator Protein）介导正调控：
葡萄糖效应：
- 葡萄糖存在时：优先利用葡萄糖，乳糖操纵子低表达
- 葡萄糖缺乏时：cAMP水平升高，激活乳糖操纵子
5.4 色氨酸操纵子
阻遏型调控
色氨酸操纵子（Trp operon）是阻遏型操纵子：
| 条件 | 色氨酸作用 | 阻遏蛋白 | 转录 |
|---|---|---|---|
| 无色氨酸 | 无 | 无活性 | 开启 |
| 有色氨酸 | 辅阻遏物 | 有活性 | 关闭 |
衰减作用
衰减作用（Attenuation）是色氨酸操纵子的精细调控机制：
- 前导序列包含4个可互补配对的区域
- 色氨酸充足时：形成终止子，转录提前终止
- 色氨酸缺乏时：形成抗终止子，转录继续
5.5 其他调控机制
阿拉伯糖操纵子
同一蛋白（AraC）既是阻遏蛋白又是激活蛋白，阿拉伯糖作为效应物改变AraC构象
SOS应答
DNA损伤应激反应：
- LexA：阻遏蛋白
- RecA：辅蛋白酶
- DNA损伤 → RecA激活 → LexA失活 → SOS基因表达
本章小结
- 原核生物基因表达以操纵子为单位组织
- 乳糖操纵子是负调控和正调控的经典模型
- 色氨酸操纵子通过阻遏和衰减双重机制精细调控
- 同一调控蛋白可在不同条件下发挥不同作用
- 翻译水平调控是转录调控的补充
思考题
- 为什么乳糖操纵子需要双重调控（负调控+正调控）？
- 衰减作用的分子机制是什么？为什么只存在于原核生物？
- 比较乳糖操纵子和色氨酸操纵子的调控策略有何不同？