原核基因表达调控·

由GPT-5.6-Sol-Ultra生成

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基因表达调控概述·

调控的必要性·

• 原核生物和单细胞真核生物直接面对营养、能量和环境变化，必须迅速改变蛋白质合成，使代谢适应环境。

• 高等真核生物的营养来源和代谢途径较稳定，但个体发育中会发生细胞分化，不同组织和细胞合成蛋白质的种类与数量不同。

• 因此，原核和真核细胞都需要准确调节基因表达及蛋白质合成。

• 自然选择倾向保留高效率的生命过程

  • 教材举例：在一个每 $30\ \mathrm{min}$ 增殖一倍、初始量为 $10^9$ 的细菌群体中，若出现一个每 $29.5\ \mathrm{min}$ 增殖一倍的突变细胞，连续生长约80天后，群体中约 $99.9%$ 的细菌会具有较快的生长速度。
  • 该过程要求不断补充新培养液，否则细菌会在1～2天内停止生长。

组成型与调节型蛋白质·

• 一个原核细胞约含 $10^7$ 个蛋白质分子。

• 大肠杆菌基因组约为 $4.60\times10^6\ \mathrm{bp}$，含4 288个开放读码框。

  • 若各基因等量翻译，每种多肽约应有2 500个拷贝。
  • 实际上，不同蛋白质的细胞内拷贝数及波动幅度差异很大。

• 每个大肠杆菌细胞约有15 000个核糖体，与其结合的约50种核糖体蛋白数量也较稳定。

• 组成型合成蛋白质（constitutive protein）

  在细胞代谢和生长发育中必需，合成速率不随环境或代谢状态显著变化的蛋白质。

  • 例：糖酵解体系的酶、DNA聚合酶和RNA聚合酶。

• 适应型或调节型合成蛋白质（adaptive or regulated protein）

  合成速率和总量明显随环境变化而改变的蛋白质。

  • 常见于其他糖代谢及氨基酸、核苷酸合成系统。
  • 一般情况下，每个大肠杆菌细胞约有15个β-半乳糖苷酶分子；在只含乳糖的培养基中可增加至几万个。

• 细菌调控通常遵循“需要时打开，不需要时关闭”的原则，主要通过改变mRNA合成来实现。

• “off”并不等于完全不表达

  • 关闭状态仍可有本底表达。
  • 教材所述本底量常为每世代、每细胞仅合成1～2个mRNA分子和极少量蛋白质。

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原核基因表达调控总论·

基本概念与调控层次·

• 基因表达（gene expression）

  遗传信息由DNA经RNA转变为蛋白质并执行生理生化功能的过程。

• 基因表达调控（gene regulation或gene control）

  对基因表达过程进行时间和空间上的调节。

1. RNA聚合酶以DNA模板链为模板，合成与模板链互补的RNA；RNA以U取代DNA中的T。
2. 核糖体以RNA为模板，翻译形成多肽链。

• 基因表达调控包括

  1. 转录水平调控：调节RNA的合成。
  2. 转录后水平调控
     • mRNA加工成熟水平调控。
     • mRNA翻译水平调控。

• 主要调控信号

生物类型	教材强调的主要信号
原核生物	营养状况、环境因素
真核生物，尤其高等真核生物	激素水平、发育阶段；营养和环境的影响相对下降

原核与真核表达过程比较·

项目	原核生物	真核生物
转录与翻译	无细胞核；mRNA边合成边结合核糖体，二者相耦联	初级转录产物先由核内运至核外，再被翻译
RNA聚合酶	只有一种RNA聚合酶参与转录	有3种RNA聚合酶；高等植物还存在RNA聚合酶Ⅳ、Ⅴ，教材称其属于RNA聚合酶Ⅱ的同源基因
翻译起始氨基酸	甲酰甲硫氨酸	非甲酰化甲硫氨酸
起始tRNA	教材写作 $\mathrm{tRNA}^{Met}$	$\mathrm{tRNA_i}^{Met}$
SD序列	起始AUG上游有富含嘌呤的SD序列，教材列为AGGAGGU	不存在SD序列

• 转录水平调控取决于DNA结构、RNA聚合酶功能、蛋白质因子及小分子配基间的相互作用。

原核转录调控的分类·

• 原核基因表达调控主要发生在转录水平。
• 按调节蛋白的作用可分为负转录调控和正转录调控。

调控系统	调节基因产物	无效应物时	有效应物时	效应物作用
负控诱导	阻遏蛋白	阻遏蛋白有活性，结构基因不转录	阻遏解除，结构基因转录	诱导物使阻遏蛋白失活
负控阻遏	辅阻遏蛋白	阻遏蛋白无活性，结构基因转录	阻遏蛋白有活性，结构基因不转录	效应物激活阻遏蛋白
正控诱导	激活蛋白	激活蛋白无活性，转录不被激活	激活蛋白有活性，促进转录	诱导物激活调节蛋白
正控阻遏	激活蛋白	激活蛋白有活性，促进转录	激活蛋白无活性，转录不被激活	效应物使调节蛋白失活

• 阻遏蛋白的作用部位是操纵区。
• 调节蛋白与DNA结合的总规律

调节蛋白是否结合DNA	正调节	负调节
是	开启	关闭
否	关闭	开启

判断关键：先看调节蛋白是阻遏蛋白还是激活蛋白，再看效应物使它活化还是失活。

原核基因表达调控的主要特点·

操纵子调控·

• 原核生物大多数基因通过操纵子机制调控，典型实例包括乳糖、色氨酸和阿拉伯糖操纵子。

• 乳糖操纵子

  • 缺乏底物时阻断相应酶的合成；乳糖出现后迅速开启。
  • 编码β-半乳糖苷酶、β-半乳糖苷透过酶和β-半乳糖苷乙酰基转移酶。
  • 教材本段称，细胞由葡萄糖培养基转至乳糖培养基数分钟后，β-半乳糖苷酶可由几个分子增至约3 000个。

• 色氨酸操纵子

  • 控制合成色氨酸所需5种蛋白质的多顺反子mRNA。
  • 一般处于开启状态；加入色氨酸后，可在2～3 min内关闭。
  • 代谢终产物关闭其自身合成酶基因的现象称为可阻遏现象，起作用的小分子称为阻遏物。

转录起始调控·

• 表达越早终止，越能减少不必要的mRNA和蛋白质合成，因此主要开关集中于转录起始阶段。
• 原核RNA聚合酶由核心酶和 $\sigma$ 因子组成
  • 核心酶参与转录延长。
  • 全酶控制转录起始。
  • $\sigma$ 因子选择模板并专一识别启动子，参与启动子的识别、结合及转录起始复合物异构化。
  • 不同 $\sigma$ 因子可激活不同编码基因及mRNA、rRNA、tRNA基因，并参与细胞发育和环境应答。

转录终止调控·

• 主要包括抗终止作用和弱化作用。

• 抗终止因子

  能与部分RNA聚合酶结合，使其越过具有茎-环结构的终止子并继续转录的蛋白质。

  • 终止子上游存在抗终止作用信号。

• 弱化子

  操纵子被阻遏、RNA合成被终止时，发挥终止转录信号作用的核苷酸序列。

  • 教材所列含弱化子的体系包括大肠杆菌的色氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸、异亮氨酸、缬氨酸及嘧啶合成操纵子，以及沙门氏菌的组氨酸和亮氨酸操纵子。

转录后调控·

• 转录后调控是在mRNA产生后，于翻译或翻译后水平进行的“微调”，是转录调控的补充。
• 例：$\lambda$ 噬菌体长达 $26\ \mathrm{kb}$ 的后期基因作为一个单位转录成多顺反子mRNA，但各基因产物的表达量差异很大，需要翻译水平调控。
• 主要形式
  • mRNA自身结构对翻译的调节。
  • 反义RNA对翻译的调控。
  • 翻译阻遏。

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乳糖操纵子与负控诱导系统·

操纵子组成与结构基因功能·

• Jacob和Monod于1961年首先提出操纵子学说，随后约10年中不断得到补充和修正。
• 大肠杆菌乳糖操纵子包括
  • 3个结构基因：$Z$、$Y$、$A$。
  • 启动区 $P$。
  • 操纵区 $O$。
  • 调节基因 $I$ 及其阻遏蛋白。
• RNA聚合酶先与 $P$ 区结合，通过 $O$ 区向右转录。
• 教材称转录从 $O$ 区中间开始，方向为 $Z\rightarrow Y\rightarrow A$，三基因共同形成一条多顺反子mRNA。
• 转录调控发生在 $P$ 区和 $O$ 区。

基因	编码产物	主要作用
$lacZ$	β-半乳糖苷酶	水解β-半乳糖苷键，将乳糖分为葡萄糖和半乳糖；还可水解苯基半乳糖苷等
$lacY$	β-半乳糖苷透过酶	使乳糖等β-半乳糖苷穿过细胞壁和原生质膜进入细胞
$lacA$	β-半乳糖苷乙酰基转移酶	将乙酰辅酶A的乙酰基转移至β-半乳糖苷；不是利用乳糖所必需

• 以乳糖为唯一碳源和能源时，β-半乳糖苷酶和透过酶是必需的。

区域	DNA长度/bp	多肽相对分子质量	成熟蛋白形式及相对分子质量
$I$	1 040	$3.8\times10^4$	四聚体；教材提取表列为 $5.0\times10^5$
$P/O$	82	—	—
$Z$	3 510	$1.25\times10^5$	四聚体，$5.0\times10^5$
$Y$	780	$3.0\times10^4$	膜蛋白，$3.0\times10^4$
$A$	825	$3.0\times10^4$	二聚体，$6.0\times10^4$

上表数字按教材提取表保留；其中 $I$ 多肽为 $3.8\times10^4$，但其四聚体相对分子质量又列作 $5.0\times10^5$，两项在教材口径上不相称。

酶诱导的证据·

lac体系的“开—关”特性·

• 无乳糖及β-半乳糖苷时，$lac^+$ 大肠杆菌每个细胞仅有1～2个β-半乳糖苷酶和透过酶分子。
• 加入乳糖后
  • 两种酶可迅速增加至细胞总蛋白量的 $6%\sim7%$。
  • 每个细胞可有超过 $10^5$ 个酶分子。
• 在有乳糖、无葡萄糖的培养基中，两种酶同时合成。
• $^{32}\mathrm P$ 标记mRNA与模板DNA定量杂交表明
  • 加乳糖后1～2 min，$lac$ mRNA迅速增加。
  • 去掉乳糖后，$lac$ mRNA立即降至几乎不能检出。

乳糖类似物·

• 乳糖会被诱导产生的β-半乳糖苷酶降解，实验中其浓度不断变化，因此诱导实验常使用乳糖类似物。
• IPTG：异丙基巯基半乳糖苷。
• TMG：巯甲基半乳糖苷。
• ONPG：O-硝基半乳糖苷，教材称其为酶活性分析中的发色底物。
• 教材随后将这些类似物概括为高效诱导物，并称它们都不是β-半乳糖苷酶的底物，因而称为安慰性诱导物（gratuitous inducer）。

教材同段一方面称ONPG为酶活性分析的“发色底物”，另一方面又把3种类似物概括为均不是β-半乳糖苷酶的底物；复习时应区分并保留这一教材表述差异。

同位素示踪证明新酶合成·

1. 先让大肠杆菌在含 $^{35}\mathrm S$ 标记氨基酸、无诱导物的培养基中繁殖数代。
2. 将带放射性的细菌转至不含 $^{35}\mathrm S$ 的无放射性培养基，再加入诱导物。
3. 分离纯化新产生的β-半乳糖苷酶，发现酶不带 $^{35}\mathrm S$ 标记。

结论：诱导物诱导的是β-半乳糖苷酶的新合成，而不是把预先存在的酶前体转化为活性酶。

lac操纵子的负调控模型·

1. $Z$、$Y$、$A$ 产物由同一条多顺反子mRNA编码。
2. 教材称该mRNA的 $P$ 区位于 $I$ 基因与 $O$ 区之间，单靠启动子不能使β-半乳糖苷酶和透过酶高效表达。
3. $O$ 区是阻遏蛋白的结合位点；模型本段称其仅为 26 bp。
4. 无诱导物时，$lacI$ 产物形成同源四聚体并结合 $O$ 区，抑制 $lac$ mRNA转录。
5. 诱导物与阻遏蛋白结合并改变其构象，使其不能占据 $O$ 区，RNA聚合酶由启动子起始转录，mRNA被翻译成3种蛋白质。

lac操纵子不仅有LacI介导的负控诱导，也有cAMP-CRP介导的正调控。

本底水平表达与乳糖应答·

两个“先有鸡还是先有蛋”的问题·

1. 诱导物进入细胞需要透过酶，而透过酶的合成又需要诱导。
2. 乳糖本身不与阻遏蛋白结合；真正诱导物是乳糖的异构体异构乳糖，后者又需β-半乳糖苷酶由乳糖形成。

• 解决机制是本底水平的组成型合成
  • 非诱导状态每世代仍可合成1～5个 $lac$ mRNA分子。
  • 阻遏蛋白与操纵区的结合并非绝对稳定，偶尔会脱落。
  • 每个细胞周期约发生1～2次短暂解阻遏，使少量透过酶和β-半乳糖苷酶形成。

加入乳糖后的正反馈·

1. 以甘油为碳源时，本底表达使每个细胞已有少量透过酶和β-半乳糖苷酶。
2. 加入乳糖后，少量乳糖由透过酶运入细胞。
3. β-半乳糖苷酶把部分乳糖转为异构乳糖。
4. 异构乳糖结合并失活LacI，使其离开 $O$ 区。
5. 大量合成 $lac$ mRNA、透过酶和β-半乳糖苷酶，进一步促进乳糖进入和异构乳糖形成。
6. 多数乳糖被分解为葡萄糖和半乳糖；半乳糖再由另一套可诱导酶系转化为葡萄糖。

乳糖耗尽后的再阻遏·

• 阻遏蛋白持续低速合成；乳糖和异构乳糖耗尽后，活性阻遏蛋白重新占优势并结合 $O$ 区。
• 细菌多数mRNA半衰期仅数分钟，$lac$ mRNA在不到一个世代内几乎消失。
• β-半乳糖苷酶和透过酶稳定，但随细胞分裂逐渐被稀释。
• 撤去乳糖后一个世代内再次加入乳糖，细胞仍可立即降解，因为仍保留一定量的透过酶和β-半乳糖苷酶。

LacI的结构与功能·

• $lacI$ mRNA由弱启动子控制，组成型合成。

• LacI单体的结构

  • N端：HTH型DNA结合结构域。
  • 中部：两个相似核心结构域，可结合诱导物。
  • C端：$\alpha$ 螺旋，参与蛋白质聚合。

• 聚合过程：单体经核心结构域形成二聚体，两个二聚体再由C端 $\alpha$ 螺旋形成四聚体。

• 无异构乳糖

  • 阻遏蛋白通过二聚体的两个HTH结构域，特异结合操纵区一段 21 bp 的DNA。
  • 阻止RNA聚合酶与启动子区结合，抑制转录。

• 异构乳糖增加

  • 结合LacI核心结构域，使其构象改变并降低DNA结合特异性。
  • LacI不再特异结合操纵区，而是随机结合DNA其他区域。
  • 转录起始区暴露，RNA聚合酶启动 $lac$ mRNA转录。

• 乳糖耗尽

  • 异构乳糖减少，LacI重新特异结合操纵区并关闭转录。

教材对LacI结合区分别给出“操纵区26 bp”和“特异结合其中21 bp”两个口径；二者均按原文保留。

• 若 $lacI$ 的弱启动子突变为强启动子，细胞产生过多阻遏蛋白，诱导物不足以解除阻遏，整个操纵子不可诱导。

cAMP-CRP正调控·

cAMP水平与碳源·

• cAMP由ATP在腺苷酸环化酶作用下产生。
• 大肠杆菌细胞内cAMP浓度受葡萄糖代谢调节

培养条件	cAMP水平
缺乏碳源	高
含葡萄糖	低
仅有甘油或乳糖等不经糖酵解途径的碳源	高

• 教材据此推测，糖酵解中葡糖-6-磷酸与甘油之间的某些代谢产物会抑制腺苷酸环化酶。

CRP/CAP及其激活机制·

• 代谢物激活蛋白（CAP）又称cAMP受体蛋白（CRP），由 $crp$ 基因编码。
• CRP形成二聚体，每个单体结合1个cAMP。
• cAMP结合使CRP二聚体构象改变，形成能特异结合DNA的cAMP-CRP复合物。
• $lac$ 的CAP位点位于转录起始点上游约60 bp，紧邻RNA聚合酶结合的启动区。
• RNA聚合酶 $\alpha$ 亚基C端结构域（$\alpha$CTD）可与CAP位点附近DNA及cAMP-CRP相互作用。
• cAMP-CRP帮助RNA聚合酶稳定结合启动子并激活转录。
• $crp$ 或腺苷酸环化酶基因突变时，细菌不能合成 $lac$ mRNA；即使同时存在解除负调控的突变，也不能恢复，说明正、负调控体系相互独立。

• CAP还参与半乳糖、麦芽糖、阿拉伯糖和山梨醇等代谢操纵子的调控。
• 这些糖最终形成葡萄糖或糖酵解中间物；有葡萄糖时相关操纵子不表达，因此称为降解物敏感型操纵子。

• cAMP-CRP结合上游DNA可使模板沿对称序列中央弯曲超过 $90^\circ$，有利于形成稳定的开放型启动子-RNA聚合酶复合物。
• 教材把LacI阻遏蛋白称为抗解链蛋白（antimelting protein）：阻止形成开放结构，从而抑制RNA聚合酶。

葡萄糖的代谢物阻遏效应·

• 葡萄糖和乳糖同时存在时，大肠杆菌优先利用葡萄糖；外源葡萄糖耗尽前不诱导 $lac$ 操纵子。

• 葡萄糖耗尽后，细胞内cAMP升高，β-半乳糖苷酶活性增加，短暂停止生长的细胞重新分裂，形成二次生长。

• 葡萄糖的抑制是间接的

  • 不能将葡糖-6-磷酸转成下一中间物的突变体，可在葡萄糖存在时诱导 $lac$。
  • 因此抑制因素是葡萄糖的某些降解产物。

• 代谢物阻遏效应（catabolite repression）

  葡萄糖降解产物使细胞内cAMP下降，CAP不能结合启动子；即使乳糖已解除LacI阻遏，教材仍称RNA聚合酶“不能与启动子结合，也不能转录”。

这里的“不能转录”是教材绝对表述；与本章总论所说关闭状态仍可能存在本底表达，在口径上有张力。

lac高效表达的条件：有乳糖使LacI失活，同时无葡萄糖使cAMP-CRP形成并激活启动子。

lac的P区与O区·

• 教材给出的 $P$ 区范围：从 $I$ 基因末端至mRNA转录起始位点下游5～10 bp。
• $O$ 区位于 $-7\sim+28$，碱基序列具有对称性，对称轴在 $+11$。
• 阻遏蛋白结合 $O$ 区会降低RNA聚合酶与启动区形成转录起始复合物的效率。

lac操纵子的其他问题·

lacA的生理意义·

• β-半乳糖苷乙酰基转移酶不能乙酰化乳糖，但可乙酰化其他半乳糖苷。
• 某些半乳糖苷可被β-半乳糖苷酶降解，却不能继续代谢；衍生物积累后会抑制细胞生长。
• 有IPTG时，教材所述 $A^-$ 菌株比相应 $A^+$ 菌株生长慢。
• $A^+$ 菌株可乙酰化IPTG；乙酰化IPTG不再被β-半乳糖苷酶分解。

lacA不直接参与乳糖降解，但可抑制有害半乳糖苷衍生物的积累。

3种基因产物的数量梯度·

• 完全诱导细胞中，β-半乳糖苷酶、透过酶、乙酰基转移酶拷贝数比为

$$ 1:0.5:0.2 $$

• 差异来自翻译水平调控
  1. 核糖体可能在翻译途中与多顺反子mRNA脱离；后续AUG重新起始翻译的概率有限，形成由 $5’$ 端向 $3’$ 端递减的蛋白质合成梯度。
  2. $lac$ mRNA内部的 $A$ 区比 $Z$ 区更易受内切酶降解，完整 $Z$ 拷贝多于完整 $A$ 拷贝。
• 多顺反子mRNA中各蛋白质的相对浓度最终取决于各顺反子的翻译频率。

操纵子融合·

• 天然条件下，$lac$ 操纵子下游依次为控制T6噬菌体敏感性的 $tsx$ 基因和嘌呤合成 $pur$ 操纵子。
• 教材所述缺失突变删除了从 $lacZ$ 开始、整个 $tsx$、$pur$ 操纵基因及部分 $pur$ 启动子。
• $lacZ$ 失去终止序列后，从 $lac$ 启动子起始的转录可连续形成含部分 $Z$ 区和整个 $pur$ 基因的mRNA，相当于把 $pur$ “嫁接”到强 $lac$ 启动子上。
• 意义：用强启动子增强弱启动子控制基因的表达，成为广泛使用的基因融合技术。

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色氨酸操纵子与负控阻遏系统·

色氨酸合成体系与操纵子结构·

• $trp$ 体系参与生物合成而非降解，不受葡萄糖或cAMP-CRP调控。
• 色氨酸合成主要分5步，共有7个基因参与

基因	编码产物
$trpE$、$trpG$	邻氨基苯甲酸合酶
$trpD$	邻氨基苯甲酸磷酸核糖转移酶
$trpF$	异构酶
$trpC$	吲哚甘油磷酸合酶
$trpA$、$trpB$	色氨酸合酶 $\alpha$、$\beta$ 亚基

• 大肠杆菌等许多细菌中
  • $trpD$ 与 $trpG$ 融合为一个双功能基因。
  • $trpC$ 与 $trpF$ 融合为一个双功能基因。
  • 因而操纵子中表现为5个结构基因。
• 与分枝酸代谢及色氨酸合成相关的其他基因
  • $pabA$、$pabB$：分别编码ADC合酶两个亚基。
  • $pabC$：编码ADC裂解酶。
  • $ubiC$：编码分枝酸裂解酶。
  • $entC$：编码异构分枝酸合酶。

• 结构顺序与相关位点
  • $trpE$ 是第一个被翻译的结构基因，其上游紧邻启动区和操纵区。
  • 前导区命名为 $trpL$。
  • 弱化子区命名为 $trpa$，不是 $trpA$。
  • 阻遏蛋白基因 $trpR$ 距结构基因簇很远。
• 大肠杆菌遗传图位置
  • $trp$ 基因簇：25 min。
  • $trpS$：65 min，编码色氨酸tRNA合成酶，并与载有色氨酸的 $\mathrm{tRNA}^{Trp}$ 参与调控。
  • $trpR$：90 min。
• $trp$ 转录同时受阻遏系统和弱化系统调控。

阻遏系统·

• $trpR$ 突变常使 $trp$ mRNA组成型合成，其产物称为辅阻遏蛋白（aporepressor）。
• 低色氨酸
  • 辅阻遏蛋白未结合色氨酸，不能稳定结合操纵区。
  • 阻遏蛋白从DNA解离，操纵子去阻遏。
• 高色氨酸
  • 末端产物色氨酸作为效应物，与辅阻遏蛋白结合。
  • 形成有活性的阻遏物，紧密结合操纵区并关闭转录。

弱化作用·

阻遏与弱化的分工·

• 高、低色氨酸条件下，$trp$ 表达水平相差约600倍。
• 单独的阻遏作用只能使转录下降约70倍；使阻遏物失活也不能完全消除色氨酸的影响。
• 阻遏—操纵机制：一级、粗调开关，决定转录是否起始。
• 弱化作用（attenuation）：精细开关，通过结构基因前的过早终止，决定已起始的转录是否继续。

弱化子·

• $trpE$ 起始密码子前有一段长162 bp的mRNA前导区。
• 缺失前导区第123～150位序列后，$trp$ 表达提高6～10倍；在可阻遏细胞和永久去阻遏突变细胞中均如此。
• mRNA合成起始后，除培养基完全没有色氨酸外，转录常在此区终止，产生仅140个核苷酸的RNA。
• 123～150区能形成具有典型终止子特征的茎-环结构，因其终止受调节而称为弱化子。

前导肽与4个配对区·

• 弱化作用需要负载 $\mathrm{tRNA}^{Trp}$，说明前导序列的一部分会被翻译。

• 前导区含AUG起始密码子和UGA终止密码子，理论上编码一个含14个氨基酸的前导肽；教材称该肽尚未被实际观察到。

• 前导肽第10、11位是相邻的两个色氨酸密码子，因而能感受负载 $\mathrm{tRNA}^{Trp}$ 的水平。

• 类似规律

  • 组氨酸操纵子前导肽含7个相邻组氨酸密码子。
  • 苯丙氨酸操纵子前导序列含7个苯丙氨酸密码子。

• 前导RNA含1、2、3、4四个可配对区

  • 可形成 $1-2$ 和 $3-4$ 配对。
  • 也可形成 $2-3$ 配对。
  • $3-4$ 是终止结构；破坏其配对有利于转录继续。

• RNase T1不能水解已配对RNA；其降解实验支持纯化前导RNA中存在 $1-2$ 和 $3-4$ 配对。

色氨酸浓度控制弱化的机制·

• 低色氨酸

  1. 负载色氨酸的 $\mathrm{tRNA}^{Trp}$ 少。
  2. 核糖体在相邻的两个Trp密码子处停顿；4区转录完成时，核糖体仍位于1区。
  3. 2区可与3区配对，形成 $2-3$ 抗终止结构。
  4. 3区不能再与4区形成终止结构，RNA聚合酶继续转录全部结构基因。

• 高色氨酸

  1. 负载 $\mathrm{tRNA}^{Trp}$ 充足，核糖体顺利通过两个Trp密码子。
  2. 4区完成转录前，核糖体已经到达2区并占据该区。
  3. $2-3$ 不能配对，游离的3区与4区形成茎-环终止子。
  4. 转录提前停止，结构基因关闭。

弱化子的作用取决于前导肽翻译时核糖体的位置；这一机制依赖原核生物转录与翻译相耦联。

弱化机制的实验证据·

• 前导区缺失
  • $trp\Delta LD102$ 缺失前导区和 $D$ 基因；在过量色氨酸中，其色氨酸合成酶活性比野生型高8～10倍。
  • 这一去阻遏现象在 $trpR^+$ 和 $trpR^-$ 背景中都存在。

株系	$trpR^+$	$trpR^-$
$Trp\Delta ED53\ (trpa^+)$	0.17	11.8
$Trp\Delta LD102\ (trpa^-)$	1.82	100

• $trpL29$
  • 第29位由G变A，使前导肽起始密码子由AUG变AUA。
  • 前导肽不能起始翻译，RNA稳定形成 $1-2$、$3-4$ 结构，终止增强。
  • 邻氨基苯甲酸合成酶活性低，且对色氨酸饥饿不敏感。
• $trpL75$
  • 第75位G变A，削弱2区G与3区第118位C配对。
  • $2-3$ 抗终止结构减弱，终止增强；不能响应色氨酸饥饿。
• $\Delta trpLC1419$
  • 缺失 $3’$ 端4个U后终止解除，说明末端U参与转录终止。

阻遏与弱化的信号及意义·

机制	直接感受的信号	作用阶段	功能
阻遏	细胞内色氨酸水平	转录起始	大量外源色氨酸存在时避免合成不必要的前导mRNA，更经济
弱化	负载色氨酸的tRNA水平	已起始转录的延伸/终止	更快响应，以抗终止方式迅速提高基因表达

• 两种作用相辅相成。
• 组氨酸操纵子具有功能相似的弱化子，却无阻遏物，完全由弱化子调节。

其他色氨酸操纵子调控机制·

大肠杆菌·

• 共有5个操纵子结构基因，其中 $trpG-D$、$trpC-F$ 为融合基因，产物具有双功能。
• 有两个启动子
  • 一个位于操纵子 $5’$ 端。
  • 一个位于 $trpG-D$ 编码区内，称内源启动子。
• 整个系统可感受色氨酸和无负载 $\mathrm{tRNA}^{Trp}$ 的浓度变化。
• 转录越过前导区后，弱化子继续决定在前导区附近停止还是转录结构基因。

枯草杆菌·

• 色氨酸操纵子含6个基因，位于一个含12个基因的大操纵子内；其余基因参与部分芳香族氨基酸合成。
• 第7个色氨酸合成基因 $trpG$（又称 $pabA$）位于叶酸操纵子，其TrpG-PabA多肽同时参与色氨酸与叶酸途径。
• 也有两个启动子，二者起始的转录均受色氨酸和无负载 $\mathrm{tRNA}^{Trp}$ 调控。
• 调控过程
  • 色氨酸激活TRAP，TRAP结合前导RNA并促成RNA终止结构。
  • 无负载 $\mathrm{tRNA}^{Trp}$ 聚集可使TRAP失活，激活转录和翻译。
  • 无负载 $\mathrm{tRNA}^{Trp}$ 增加时，$trpA$ 编码的AT蛋白结合TRAP，阻止其形成转录终止复合物，从而激活操纵子。

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其他操纵子·

半乳糖操纵子·

组成与特点·

• 大肠杆菌 $gal$ 操纵子位于遗传图17 min处，含3个结构基因

基因	产物
$galE$	UDP-半乳糖-4-差向异构酶
$galT$	半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷转移酶
$galK$	半乳糖激酶

• 3种酶共同使半乳糖转化为葡糖-1-磷酸。

• 调节基因 $galR$ 位于55 min处，远离 $galE/T/K$ 和操纵区 $O$。

• GalR对 $galO$ 的作用与LacI对 $lacO$ 的作用相同；$galR$ 或 $galO$ 突变会使 $E/T/K$ 组成型表达。

• 主要诱导物为半乳糖。

• 半乳糖跨膜运输还需要远离该操纵子的 $galP$ 产物。

• $gal$ 操纵子的两个特殊结构

  1. 有两个相距仅5 bp的启动子，mRNA可从两个不同起始点转录。
  2. 有两个操纵区：一个位于 $P$ 区上游 $-67\sim-73$，另一个位于 $galE$ 内部。

cAMP-CRP对双启动子的相反作用·

• 两启动子各有RNA聚合酶结合位点 $S_1$ 和 $S_2$。

条件或调节	$S_1$ 起始	$S_2$ 起始
cAMP-CRP存在	促进	抑制
cAMP-CRP缺乏	不能有效起始	起始
与葡萄糖关系	无葡萄糖时顺利进行	教材称完全依赖葡萄糖

• 从 $S_1$ 起始需要半乳糖、CRP和较高浓度cAMP。
• $cya^-$ 或 $crp^-$ 突变使 $S_1$ 不能起始；体外加入cAMP-CRP可恢复。
• cAMP-CRP有利于RNA聚合酶-$S_1$ 复合物形成开链构象。
• 因 $S_1$ 与 $S_2$ 的核苷酸部分重叠，$S_1$ 复合物会干扰RNA聚合酶-$S_2$ 复合物形成。
• 因此 $cya^-$ 或 $crp^-$ 大肠杆菌不能利用乳糖，却可用半乳糖作唯一碳源。

• 双突变实验
  1. 首次 $gal$ 启动子突变破坏 $S_1$，但不影响 $S_2$。
  2. cAMP-CRP仍抑制 $S_2$，故两启动子都不能工作，细胞不能利用半乳糖。
  3. 再发生 $cya^-$ 或 $crp^-$ 突变后，移除cAMP-CRP对 $S_2$ 的抑制，$gal$ 恢复表达。

双启动子的生理意义·

• 半乳糖具有双重作用
  • 可作为细胞生长的唯一碳源。
  • 相关物质UDP-半乳糖（UDPgal）是大肠杆菌细胞壁合成的前体。
• 无外源半乳糖时，GalE仍可由UDP-葡萄糖合成UDPgal。
• 细胞壁合成对GalE需求小，本底组成型表达即可满足；$gal$ mRNA本底水平高于 $lac$ mRNA。

启动子	生理任务
$S_2$	不依赖cAMP-CRP，维持细胞壁合成所需的本底表达
$S_1$	依赖cAMP-CRP，在需要利用半乳糖时调节高水平表达

• 若只有 $S_1$，葡萄糖存在时不能产生必需的GalE。
• 若只有 $S_2$，葡萄糖存在时半乳糖也会使操纵子充分诱导，造成浪费。

阿拉伯糖操纵子·

结构与代谢顺序·

• 阿拉伯糖是可作为碳源的五碳糖。
• 降解基因簇为 $araBAD$

基因	编码产物
$araB$	核酮糖激酶
$araA$	L-阿拉伯糖异构酶
$araD$	L-核酮糖-5-磷酸-4-差向异构酶

• 基因排列为 $B-A-D$，但代谢反应顺序为 $A-B-D$。
• 远离该基因簇的运输基因
  • $araE$：编码膜蛋白。
  • $araF$：编码位于细胞壁与细胞膜之间的阿拉伯糖结合蛋白。
• $araBAD$ 邻近复合启动区、两个操纵区 $O_1/O_2$ 和调节基因 $araC$。
• 两个方向相反的转录
  • $araBAD$ 从 $P_{BAD}$ 向右转录。
  • $araC$ 从 $P_C$ 向左转录。

• 阿拉伯糖本身是诱导物。
• 野生型只有在有阿拉伯糖时形成 $araBAD$ mRNA；有葡萄糖时不转录。
• 腺苷酸环化酶缺陷或 $crp^-$ 突变也不能形成 $araBAD$ mRNA，说明 $P_{BAD}$ 起始需要cAMP-CRP。

AraC的正、负双重调节·

• $araC$ 点突变或缺失会使细胞不能合成 $araBAD$ mRNA。

• $F’araC^+/araC-$ 局部二倍体仍可诱导，说明 $araC^-$ 为隐性。

• $araC$ 琥珀突变和AraC纯化证明其产物是蛋白质。

• 有功能的AraC与阿拉伯糖结合后，可诱导 $araBAD$ 表达。

• 启动转录还需cAMP-CRP共同参与

  • 只有AraC或只有cAMP-CRP均不能起始。
  • 两者同时存在时，RNA聚合酶才能稳定结合操纵子DNA。

• 教材图示的状态

  1. 无AraC：由 $P_C$ 起始 $araC$ 转录。
  2. 高葡萄糖、低阿拉伯糖：AraC结合 $O_2$ 和 $araI$ 上半区，形成DNA回转，$araBAD$ 不表达。
  3. 有阿拉伯糖、无葡萄糖：AraC结合阿拉伯糖后构象改变；同源二聚体分别结合教材图注所称 $araO_1$ 和 $araI$，DNA回转被破坏，AraC与cAMP-CRP共同促进 $P_{BAD}$ 起始。

AraC的两种形式·

• AraC以两种异构体实现双重调控

形式	主要作用	优势条件	教材所述结合特点
Pr	阻遏	无阿拉伯糖	与尚未鉴定的类操纵区位点结合
Pi	诱导	有阿拉伯糖	通过与 $P_{BAD}$ 启动子结合调节

• Pr与Pi处于平衡；阿拉伯糖结合AraC后使平衡转向Pi。

营养状态与表达·

营养条件	cAMP-CRP	AraC形式/结合	表达结果
有葡萄糖	不结合操纵区	Pr结合A位点	教材称RNA聚合酶不能与 $P_C$ 结合；同时又称 $araC$ 仍有低水平转录，系统近乎静止
无葡萄糖、无阿拉伯糖	结合操纵区	Pr为主，不能结合B位点	无 $araBAD$ mRNA
无葡萄糖、有阿拉伯糖	结合操纵区	大量Pi分别结合B、A位点	$araC$ 与 $araBAD$ 大量表达，操纵子充分激活

“不能与 $P_C$ 结合”与“$araC$ 仍有少量转录”出现在教材同一状态描述中，笔记并列保留。

LexA降解与SOS应答·

• SOS系统

  细菌DNA严重受损时启动的诱导型DNA修复系统。

• 多个SOS修复基因虽分散在染色体不同位置，却共同受LexA阻遏，正常时表达很低。

• SOS诱导的实质是使LexA离开这些基因的上游调控区。

• 教材所述过程

  1. $recA$ 不完全受LexA阻遏，每细胞约有1 000个RecA单体。
  2. DNA严重受损使复制中断并增加单链DNA缺口。
  3. RecA结合缺口处单链DNA，被教材描述为“激活成为蛋白酶”。
  4. 活化RecA把LexA切成两个不再具有阻遏和操纵区DNA结合活性的片段。
  5. SOS体系及 $recA$ 高效表达，DNA得到修复。
  6. 修复完成后，活化信号消失；RecA恢复非蛋白水解酶形式，LexA逐渐积累并重建阻遏。
  7. RecA合成停止后，细胞恢复生长分裂，RecA被稀释回本底水平。

“RecA被激活成为蛋白酶”是教材原文口径，笔记不以外部机制替换。

二组分调控系统与信号转导·

• 环境信号包括温度、pH、渗透压、氧分压、营养及细胞浓度等。

• 有些小分子效应物可直接结合调节蛋白；更多情况下，外部信号先由传感器接收，再传至调节部位，这一过程称为信号转导。

• 二组分调控系统（two-components regulatory system）

  由位于细胞质膜的传感蛋白和位于细胞质的应答调节蛋白组成的简单信号系统。

1. 传感蛋白具有激酶活性，又称传感激酶。
2. 传感激酶感受膜外信号并被磷酸化。
3. 磷酸基团转移至应答调节蛋白。
4. 磷酸化的应答调节蛋白成为阻遏蛋白或激活蛋白，调控下游操纵子。

刺激信号或功能	传感蛋白	应答调节蛋白
氧气缺乏	ArcB	ArcA
渗透压、包被蛋白	EnvZ	OmpR
渗透压、钾离子运输	KdpD	KdpE
磷酸盐清除	PhoR	PhoB
氮代谢	NtrB	NtrC
硝酸盐呼吸	NarX	NarL
硝酸盐和亚硝酸盐呼吸	NarQ	NarP

多启动子调控的操纵子·

rRNA操纵子rrnE·

• 有两个启动子 $P_1$ 和 $P_2$。
• 对数生长期，$P_1$ 产物比 $P_2$ 多3～5倍，故 $P_1$ 为强启动子。
• 氨基酸饥饿等紧急状态下，ppGpp升高并逐渐抑制 $P_1$，而 $P_2$ 活性不变。
• rRNA不能完全停止供应；贫瘠培养基中细胞生长缓慢时，$P_2$ 成为主要启动子。

核糖体蛋白SI操纵子rpsA·

• 有4个启动子，教材称可能是大肠杆菌中启动子最多的操纵子。
• 平时：强启动子 $P_1/P_2$ 主要负责SI蛋白合成。
• 紧急状态：$P_1/P_2$ 受ppGpp抑制，弱启动子 $P_3/P_4$ 维持最低需要。

DnaQ蛋白操纵子·

• DnaQ是DNA聚合酶全酶的亚基之一，负责校正DNA复制错误。
• 有强启动子 $P_1$ 和弱启动子 $P_2$，受RNA聚合酶活性调节。

细胞状态	RNA聚合酶活性	使用启动子	DnaQ合成
染色体复制较慢	低	弱 $P_2$	维持基础量
增殖、复制加快	高	强 $P_1$ 被激活	大量增加

多启动子具有不同强度并受不同信号调控，使细菌在不同环境下精细协调基因表达量。

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固氮基因调控·

生物固氮概述·

• 固氮

  将游离态氮转化为化合态氮的过程。

• 大气约有 $78%$ 为氮气，但能直接利用游离氮的生物很少，多数生物只能利用化合态氮。

• 教材列出的全球固氮贡献

  • 雷电等自然现象：约占总固氮量的 $5%$。
  • 合成氨工业：约占 $30%$。
  • 生物固氮：贡献一半以上。

• 氮气的 $\mathrm{N\equiv N}$ 三键稳定，工业合成氨需高温高压并消耗约人类总能耗的 $1%$。

• 已发现的固氮生物均为原核细菌、放线菌和蓝藻。

• 按生活状态分为3类

类型	教材用语	生活方式与能量/营养来源
自养固氮菌	free-living	独立生活，以光合作用或化能合成的能量支持固氮
共生固氮菌	symbiotic	与植物建立相互依赖关系；植物供养料，细菌供氮化合物，典型为豆科植物根瘤菌
联合固氮菌	associative	与植物形成较松散的互利关系，依附根系附近，利用根系分泌物并回馈氮化合物

“自养（free-living）固氮菌”是教材的中英文对应口径。

固氮酶·

反应与基本性质·

• 20世纪60年代初，无细胞提取液实验
  1. 将晾干的厌氧芽孢梭菌细胞溶于稀盐溶液并离心。
  2. 向上清液加入 $^{15}\mathrm N_2$。
  3. 体系中产生 $^{15}\mathrm{NH_3}$，证明无细胞体系可固氮。
• 无细胞提取液的固氮酶活性会很快被空气完全破坏。
• 所有固氮生物均含固氮酶，其结构和功能高度保守。

$$ \mathrm{N_2}+8\mathrm e^-+8\mathrm H^++16\mathrm{MgATP} \longrightarrow 2\mathrm{NH_3}+\mathrm H_2+16\mathrm{MgADP}+16\mathrm{P_i} $$

固氮酶的组成·

• 固氮酶由**铁蛋白（Fe-protein）和铁钼蛋白（FeMo-protein）**组成。

组分	结构	金属簇或结合位点
铁钼蛋白	两个 $\alpha\beta$ 异二聚体组成轴对称 $\alpha_2\beta_2$ 异四聚体	每个 $\alpha\beta$ 含1个 $[8\mathrm{Fe}-7\mathrm S]$ P金属簇和1个铁钼辅因子
铁钼辅因子	$[7\mathrm{Fe}-\mathrm{Mo}-9\mathrm S-\mathrm X]$ 金属簇的Mo原子连接高柠檬酸	教材称X原子最近确定为碳
铁蛋白	两个亚基组成二聚体	每亚基有1个MgATP结合位点；两亚基间由 $[4\mathrm{Fe}-4\mathrm S]$ 金属簇连接

• 一套完整固氮酶含1个铁钼蛋白异四聚体和2个与之结合的铁蛋白二聚体。
• 铁蛋白、铁钼蛋白、铁钼辅因子及各金属簇均不可缺少。
• 缺钼时，有些固氮生物可用铁钒辅因子或铁铁辅因子代替铁钼辅因子。

电子传递与限速步骤·

1. 铁氧还蛋白、黄素氧还蛋白等电子供体向铁蛋白供电子，使 $[4\mathrm{Fe}-4\mathrm S]^{2+}$ 还原为 $[4\mathrm{Fe}-4\mathrm S]^+$。
2. 电子由铁蛋白的 $[4\mathrm{Fe}-4\mathrm S]^+$ 传至铁钼蛋白的 $[8\mathrm{Fe}-7\mathrm S]$ P簇。
3. 此过程依赖铁蛋白水解MgATP；传递后铁蛋白离开铁钼蛋白，重新结合ATP并接受电子。
4. 每轮只传递1个电子，速率约为每秒5个电子，是固氮反应的限速步骤。
5. P簇再把电子传给铁钼辅因子。
6. 铁钼辅因子结合 $\mathrm N_2$，是催化氮还原的活性位点。

• 每还原1个氮气分子需传递8个电子。

产氢副反应·

• 固氮酶还能把 $\mathrm H^+$ 还原为 $\mathrm H_2$。
• 该反应既消耗能量，生成的氢又会竞争性抑制固氮，故不利于提高固氮效率。
• 部分 $Hup^+$ 根瘤菌可用氢化酶催化氢与氧结合
  • 回收质子还原过程中损失的部分ATP。
  • 有助于清除固氮酶附近的分子氧。

固氮基因及其表达调控·

• 固氮反应慢，需要固氮时细菌必须大量合成固氮酶，最高可占细胞总蛋白量的 $20%$。
• 固氮酶对氧高度敏感，较低氧分压即可破坏其活性；教材称已研究的固氮酶中仅一种高温固氮菌的固氮酶耐氧。
• 因此固氮基因同时响应
  • 氧浓度：避免在有氧时合成并损坏固氮酶。
  • 氨浓度：产物供应充足时抑制不必要的合成。

NifA与 $\sigma^{54}$ 共同激活nif转录·

• $nif$ 系统包含

  • 固氮酶蛋白质组分的编码基因。
  • 金属簇和辅因子合成基因。
  • 转录调控因子基因。

• $nif$ 转录由NifA和 $\sigma^{54}$ 共同激活。

• $\sigma^{54}$ 又称RpoN，识别启动子的 $-24$ 和 $-12$ 区。

• 教材本段称 $\sigma^{54}$ 与“NifA或NtrA”相互作用后使RNA聚合酶定位到固氮基因启动区；级联调控段另使用NtrC这一名称，两种名称口径均予保留。

• NifA的3个结构域

位置	结构域	功能
C端	HTH型DNA结合结构域	识别并结合 $nif$ 上游激活位点UAS
中部	保守AAA$^+$ ATP酶结构域	结合并水解ATP；与RNA聚合酶及 $\sigma^{54}$ 相互作用；促使NifA多聚化
N端	调控结构域	调节NifA活性

• 激活过程
  1. $\sigma^{54}$ 使RNA聚合酶定位于 $nif$ 启动区。
  2. NifA多聚体结合UAS。
  3. NifA同时与RNA聚合酶的 $\sigma^{54}$ 相互作用。
  4. $\sigma^{54}$ 构象改变，DNA解链并形成开放型转录起始复合物。
  5. ATP水解为该过程提供驱动。

氧和氨控制的级联调控·

• NifA的活性和表达量又受其他因子控制，因此固氮基因构成级联调控体系。

• 克氏肺炎杆菌的 $nifL$ 和 $nifA$ 位于同一操纵子。

• 氧浓度支路

  • 缺氧：NifL不能结合NifA，NifA可激活 $nif$。
  • 有氧：NifL结合NifA并抑制其ATP酶活性，遏制 $nif$ 转录。

• 氨/谷氨酰胺支路

  • 细胞内谷氨酰胺浓度与游离氨浓度正相关。
  • NtrC是 $nifA$ 操纵子的激活因子；其结构与功能类似NifA，结合上游DNA并与 $\sigma^{54}$ 相互作用。

谷氨酰胺状态	GlnB/GlnK	NtrB对NtrC的作用	$nifA$ 结果
低	GlnD编码的尿苷转移酶把UMP转移至GlnB、GlnK	使NtrC磷酸化	磷酸化NtrC促DNA解链并激活 $nifA$
高	GlnB、GlnK不发生尿苷化	GlnB结合NtrB并使NtrC去磷酸化	$nifA$ 关闭

• 教材还称，低氧时不带UMP的GlnK会抑制NifL结合NifA，从而保证NifA激活 $nif$。
• 不同固氮菌的细节不同
  • 深红红螺菌、草螺菌和巴西固氮螺菌：氮匮乏时由GlnB激活NifA。
  • 茎瘤固氮根瘤菌：氨富余时NifA受GlnB、GlnK抑制。
• 总体均为响应氧浓度和氨浓度的级联模式。

教材先称NifL在有氧时结合并抑制NifA，随后又写“NifL仅存在于部分固氮菌，nifL型固氮菌的NifA不受NifL调控”。后一句与前文的命名和功能关系存在内部表述冲突，笔记不作外部修正。

根瘤形成与根瘤相关基因·

根瘤菌与宿主的识别·

• 根瘤菌在根际生长并接触宿主幼嫩根毛，是感染第一步。
• 特定根瘤菌小种的宿主范围通常很窄，但某些株系也可感染主要宿主以外的豆科植物。

主要类群	根瘤菌	宿主植物
苜蓿类	R. meliloti	苜蓿
三叶草类	R. trifolii	三叶草
豌豆类	R. leguminosarum	豌豆、某些菜豆及扁豆
菜豆类	R. phaseoli	菜豆
黄芩类	R. loessense	黄芩
羽扇豆类	B. lupine	羽扇豆
大豆类	B. japonicum	大豆
豇豆类	Cowpea rhizobia	花生、豇豆、金合欢属

• 根瘤菌以极性方式接触并附着根毛。
• 专一性由植物凝血素与细菌细胞壁相互作用决定
  • 植物凝血素是糖蛋白，对含半乳糖、N-乙酰葡糖胺和甘露糖的寡聚糖复合体具有高亲和力与专一性。
  • 根瘤菌细胞壁的一种脂多糖可能是植物凝血素受体。
  • 根瘤菌可产生寡聚糖刺激植物分泌凝血素。
  • 特定植物凝血素只能识别特定细菌表面受体，因而宿主范围也受植物基因组影响。

豆血红蛋白与根瘤素·

• 豆血红蛋白（leghemoglobin，Lb）

  • 主要功能是调节根瘤细胞氧含量。
  • 是根瘤细胞中由植物基因组编码的最主要蛋白质；教材称其血红素辅基可能由细菌编码。
  • 脱辅基Lb相对分子质量为 $1.56\times10^{4\sim1.59\times10}4$。
  • 有Lba、Lbc1、Lbc2、Lbc3共4种异构体，序列差异小但由不同基因编码。
  • Lba和Lbc读码框均插入3个长短不一的内含子，故基因总长度不同。
  • 与动物肌红蛋白具有同源性。

• 根瘤素（nodulin）

  由植物基因组编码、只在根瘤菌诱导的细胞中表达的一组蛋白质，包括Lb及至少20种其他多肽。

类别	功能
第1类	根瘤结构蛋白
第2类	同化类菌体固定的氮，并把氮转移至植物体内的酶系统
第3类	维持类菌体功能所必需的蛋白质；Lb属于此类

• Lb解决固氮与呼吸对氧需求的矛盾
  • 细胞内氧通常为数百微摩尔水平，而固氮酶只能在几十纳摩尔 $\mathrm O_2$ 下工作。
  • 若自由氧一味降至几十纳摩尔以下，呼吸酶会停止反应。
  • Lb高亲和结合大量自由氧，既降低自由氧浓度，又把氧直接送往呼吸链。

指标	类菌体周膜空间	含类菌体的宿主细胞质
Lb含量	$300\ \mu\mathrm{mol/L}$	$3,000\ \mu\mathrm{mol/L}$
Lb氧化程度	$20%$	$20%$
氧吸附量	$60\ \mu\mathrm{mol/L}$	$600\ \mu\mathrm{mol/L}$
自由氧浓度	$11\ \mathrm{nmol/L}$	$11\ \mathrm{nmol/L}$
吸附氧/自由氧	5 500	55 000

• 每个含类菌体的根瘤细胞约有600 000个与核糖体结合的mRNA分子，其中约90 000个为Lb mRNA，占 $15%$。

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转录水平上的其他调控方式·

• 转录包括转录机器结合DNA、识别启动子、起始、延伸和终止。
• 每一步都可被调控，但转录起始是相对于延伸和终止更主要的调控点。
• 转录调控是基因表达中最有效、最经济的方式。

$\sigma$ 因子的调节作用·

大肠杆菌的 $\sigma$ 因子·

• 大肠杆菌至少有7种 $\sigma$ 因子，可按相对分子质量或编码基因命名。
• $\sigma^{70}$ 参与碳代谢和生物合成等基本生理功能基因的转录。

$\sigma$ 因子	编码基因	教材表7-6所列主要功能
$\sigma^{70}$	RpoD	对数生长期及多数碳代谢基因调控
$\sigma^{54}$	RpoN	多数氮源利用基因调控
$\sigma^{38}$	RpoH	分裂间期特异基因调控
$\sigma^{32}$	RpoS	热休克基因调控
$\sigma^{28}$	RpoF	鞭毛趋化相关基因调控
$\sigma^{24}$	RpoE	过度热休克基因调控
$\sigma^{19}$	FecL	铁离子转运相关基因调控

上表严格保留教材表7-6的 $\sigma^{38}$/RpoH 与 $\sigma^{32}$/RpoS 对应；教材正文随后也明确称 $\sigma^{32}$ 激活热休克基因。

结构与启动子识别·

• 教材正文称，除 $\sigma^{54}$ 外“其他5种”属于具有结构同源性的 $\sigma^{70}$ 家族；但同页表格共列7种因子，排除 $\sigma^{54}$ 后实际仍列6种，数量口径不一致。
• 教材又称所有 $\sigma$ 因子含4个保守区
  • 第2、第4保守区参与结合启动区DNA。
  • 第2保守区的另一部分参与DNA双链解开。

特点	$\sigma^{70}$ 类	$\sigma^{54}$
识别序列	$-35$、$-10$ 区	$-24$、$-12$ 区
教材所述结合顺序	核心酶结合DNA后才与启动区结合	类似真核TBP，可在无核心酶时独立结合启动子
主要应用情境	大肠杆菌多数基因；特定家族成员响应环境	氮代谢等基因

• 高温时，细胞内参与热休克调控的 $\sigma^{32}$ 迅速增加。
• $\sigma^{32}$ 替换部分RNA聚合酶中的 $\sigma^{70}$，把RNA聚合酶引向热休克基因启动子并激活转录。
• 不同 $\sigma$ 因子既可独立作用，也可相互作用形成调控网络。
• $\sigma$ 因子的活性还受
  • 蛋白水解酶调节。
  • 同源抗 $\sigma$ 因子结合并阻止其与RNA聚合酶组装。

Bacillus孢子形成中的 $\sigma$ 因子级联·

• 营养缺乏时，革兰氏阳性Bacillus形成孢子，需要4种 $\sigma$ 因子。
• 空间与产生方式
  • $\sigma^{{E}$、$\sigma}{K}$ 位于母细胞，先以无活性前体合成，再由特定蛋白酶激活。
  • 开始形成孢子后产生 $\sigma^{{F}$、$\sigma}{G}$。
  • 教材明确称，与SpoⅡAB结合的无活性 $\sigma^{F}$ 复合物存在于孢子中。
• $\sigma^{F}$ 的活化
  1. 无活性 $\sigma^{F}$ 与抗 $\sigma$ 因子SpoⅡAB结合。
  2. 环境刺激使抗-抗 $\sigma$ 因子SpoⅡAA去磷酸化。
  3. 去磷酸化SpoⅡAA结合SpoⅡAB。
  4. $\sigma^{F}$ 被释放并获得活性。
• 级联作用
  • 活性 $\sigma^{F}$ 激活早期孢子形成基因，包括 $\sigma^{G}$ 基因和需进入母细胞加工前体 $\sigma^{E}$ 的蛋白酶基因。
  • 活性 $\sigma^{G}$ 激活后期孢子形成基因，以及需进入母细胞加工前体 $\sigma^{K}$ 的蛋白酶基因。

组蛋白类似蛋白·

• 组蛋白类似蛋白（histone-like protein）

  细菌中以非特异性方式结合DNA、帮助维持DNA高级结构的蛋白质。

• H-NS含2个结构域

  • DNA结合结构域。
  • 蛋白质-蛋白质相互作用结构域。

• H-NS先结合DNA，再经蛋白质相互作用形成四聚体或多聚体，维持DNA高级结构。

• H-NS还对大肠杆菌基因组中大量环境应答基因的调控区具有较高亲和力。

  • 非特异结合这些区域并抑制转录。
  • 相关基因的激活需要特定转录因子。

转录调控因子·

• 转录调控因子

  与基因启动区结合，对转录发挥激活或抑制作用的DNA结合蛋白。

• 大肠杆菌基因组中有300多个基因编码此类蛋白，多数为序列特异性DNA结合蛋白。

• 调控范围差异很大

  • CRP、FNR、IHF、Fis、ArcA、NarL和Lrp共同调控约 $50%$ 基因的表达。
  • 约60个转录因子仅特异结合1～2个启动子。

• 同一因子可对不同基因产生相反作用，也可对同一基因在不同状态下产生相反作用。

  • AraC结合阿拉伯糖前后分别抑制和激活 $ara$ 操纵子。

• 许多启动区含多个转录因子结合位点，多个因子协同后RNA聚合酶才能顺利结合并起始。

抗终止因子·

• 抗终止因子

  在特定位点阻止转录终止，使RNA聚合酶越过终止子并继续转录的一类蛋白质。

• 这种机制主要见于噬菌体和少数细菌。

• 终止子上游有抗终止信号；RNA聚合酶到达终止子前与抗终止因子结合，才能通过茎-环终止子。

Nus蛋白与rrn抗终止·

1. 转录起始不久，$\sigma$ 因子从RNA聚合酶解离，NusA结合核心酶。
2. NusA增加RNA聚合酶在终止子发夹处的暂停，教材称这会促进抗终止作用。
3. NusA与 $\sigma$ 因子不能同时结合RNA聚合酶。
4. RNA聚合酶仍在DNA上时NusA不解离；游离RNA聚合酶上的NusA可被 $\sigma$ 因子取代。
5. 因而RNA聚合酶在转录起始和终止阶段分别受 $\sigma$ 因子与NusA调控。
6. $rrn$ 转录是典型抗终止过程：结合NusA的RNA聚合酶遇到教材所称“boxA终止序列”时，NusB/S10在NusG帮助下加入复合物，实现抗终止。

“NusA增加暂停并促进抗终止”及“boxA终止序列”均为教材原文口径。

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转录后调控·

• 转录调控最经济：不需要某种蛋白质时，直接不转录其mRNA。
• mRNA已经产生后，在翻译或翻译后水平继续“微调”，可使表达更好地适应细胞需求与外界变化。

mRNA自身结构元件对翻译的调节·

起始密码子·

• 原核核糖体30S亚基识别mRNA起始密码子并确定开放读码框。
• AUG与fMet-tRNA所含 $3’-\mathrm{UAC}-5’$ 配对。
• 大肠杆菌起始密码子的使用

起始密码子	教材所列使用情况
AUG	主要起始密码子
GUG	约 $14%$ 的基因
UUG	约 $3%$ 的基因
AUU	另有2个基因

• GUG、UUG等与fMet-tRNA的配对能力弱于AUG，翻译效率较低。
• 教材所引研究：AUG换成GUG或UUG后，mRNA翻译效率降低8倍。

$5’$ 非翻译区与核糖体结合位点·

• 核糖体结合位点（RBS）

  起始密码子AUG上游、包括SD序列的一段非翻译区，可与核糖体16S rRNA的 $3’$ 端互补，促进核糖体结合和翻译起始。

• RBS结合强度取决于

  • SD序列本身的结构。
  • SD与AUG的距离。

• SD与AUG通常相距4～10 nt，以9 nt为最佳。

• mRNA $5’$ 端二级结构也决定30S亚基能否结合。

  • SD序列的微小变化可改变二级结构形成的自由能。
  • 表达效率可相差上百倍甚至上千倍。

• $lacI$ 的低水平表达

  • mRNA由弱启动子组成型合成。
  • $5’$ UTR不利于核糖体结合，翻译效率低。
  • 每细胞通常只有约10个LacI四聚体。
  • 低水平LacI使细胞遇到乳糖时可较快积累足够诱导物并解除阻遏。

核糖开关·

• 核糖开关（riboswitch）

  一段具有复杂结构的RNA调控序列；在原核生物中通常位于mRNA的 $5’$ UTR，可感受代谢物、离子或温度等变化，并通过自身二级结构改变调控基因表达。

• 可能作用于

  • 转录起始、延伸或终止。
  • 核糖体与mRNA结合。
  • mRNA稳定性。
  • 教材还称真核生物核糖开关可通过控制mRNA剪接发挥作用。

SAM感受型核糖开关·

• 枯草杆菌许多甲硫氨酸途径基因的 $5’$ UTR含一段约200 bp的RNA，教材称其为SAM感受型核糖开关。
• 两种调控方式
  1. 控制翻译：无SAM时RBS暴露，核糖体结合并翻译；结合SAM后结构改变并封闭RBS，翻译受抑。
  2. 控制转录：结合SAM后在编码区上游形成终止构象，使转录提前终止。

glmS核酶型核糖开关·

• 枯草杆菌 $glmS$ 编码合成葡糖胺-6-磷酸（GlcN6P）的酶。
• $glmS$ mRNA的 $5’$ UTR含核酶结构。
• 无GlcN6P：mRNA正常翻译。
• 酶产物GlcN6P升高：GlcN6P结合并激活核酶，核酶切割 $glmS$ mRNA，阻止继续翻译。

热敏型核糖开关·

• 单核增生性李斯特菌 $pfrA$ 基因 $5’$ UTR的热敏RNA发夹封闭RBS。
• 温度由 $30\ ^\circ\mathrm C$ 升至 $37\ ^\circ\mathrm C$ 时，发夹打开并释放RBS，$pfrA$ 表达提高5倍。

mRNA稳定性对转录水平的影响·

• 细胞以核酸酶清除无用mRNA；典型细菌mRNA半衰期为2～3 min。

• mRNA被降解的概率取决于其二级结构。

• CsrAB调节系统

  • CsrA：RNA结合蛋白，可结合靶mRNA，也可结合CsrB。
  • CsrB：非编码RNA，每个CsrB最多可结合18个CsrA蛋白。

• 生理调节

  • 静止期：糖以糖原形式储存。
  • 快速生长期：经糖酵解消耗糖。
  • CsrA激活糖酵解，抑制葡萄糖和糖原合成。

• 在糖原合成途径中，CsrA结合 $glg$ mRNA后使其更易受核酸酶攻击，加快降解并抑制其模板功能。

调节蛋白对翻译的调控·

翻译激活·

• 大肠杆菌BipA是具有核糖体依赖性GTP酶活性的mRNA结合蛋白。
• BipA可激活转录调控蛋白基因 $fis$ mRNA的翻译，是Fis蛋白合成所必需的。

翻译抑制与反馈·

• mRNA特异性抑制蛋白可与核糖体竞争mRNA结合位点，抑制翻译起始。
• 核糖体蛋白的反馈调节
  • rRNA充足时，核糖体蛋白优先结合亲和力较高的rRNA，不结合自身mRNA。
  • rRNA不足时，核糖体蛋白结合自身mRNA并封闭RBS，停止继续合成。
• 作用结果：维持rRNA与核糖体蛋白的数量平衡。

教材该段原句把“rRNA基因正常转录和翻译，产生核糖体蛋白”连写在一起；笔记按同段随后给出的rRNA—核糖体蛋白竞争结合机制整理，不引入外部内容。

小RNA的调节作用·

• 非编码小RNA（small non-coding RNA，sRNA）

  原核细胞中长度约50～500 nt、可结合mRNA或蛋白质并调节基因表达的非编码RNA。

• 常由氧化压力、渗透压、温度等环境压力诱导。

• 可通过以下方式发挥作用

  • 改变靶mRNA稳定性。
  • 改变蛋白质-RNA结合。
  • 抑制或促进翻译。
  • 加速或减缓mRNA降解。

• 原核sRNA以反式编码为主，多数需RNA分子伴侣Hfq协助，以不严格互补配对结合靶mRNA。

bfr/anti-bfr系统·

• $bfr$ 编码储存过量铁离子的细菌铁蛋白；无论铁浓度高低，$bfr$ 均正常转录。
• $anti-bfr$ 编码反义RNA，其转录由感受铁浓度的Fur调控。

铁离子状态	Fur与 $anti-bfr$	对 $bfr$ 的影响
高	Fur作为抑制因子关闭包括 $anti-bfr$ 在内的相关操纵子	无反义RNA阻断，$bfr$ 正常翻译并储铁
低	$anti-bfr$ 大量转录	反义RNA与 $bfr$ mRNA配对，阻止细菌铁蛋白翻译

OxyS与DsrA·

• OxyS

  • 由氧化压力诱导。
  • 可与 $fhlA$ mRNA的RBS部分序列配对，也可与其编码区特定序列配对。
  • 阻止核糖体结合，抑制编码甲酸盐代谢转录激活蛋白的 $fhlA$ 翻译。

• DsrA

  • 由低温诱导，可促进胁迫相关 $\sigma$ 因子基因 $rpoS$ 的翻译，并克服H-NS介导的转录沉默。
  • 有全长转录形式F和截短形式T；比例随温度变化，低温时以F为主。
  • 含3个茎-环

DsrA结构	教材所述作用
第1茎-环，85 nt	$rpoS$ 翻译所必需，但抗H-NS活性不需要
第2茎-环	抗沉默所必需；存在动态构象平衡，可能有利于调节多个靶mRNA
第3茎-环	转录终止子；可由 $trp$ 终止子替换而不丧失DsrA功能

• DsrA第1茎-环在Hfq帮助下与 $rpoS$ mRNA前导区配对，破坏封闭RBS的茎-环，释放核糖体结合位点并激活翻译。

稀有密码子对翻译的影响·

• 大肠杆菌 $dnaG$ 编码引物酶，催化冈崎片段前RNA引物的合成。
• 细胞对引物酶需求很少，过量引物酶有害。
• $dnaG$、$rpoD$、$rpsU$ 位于同一操纵子，但产物拷贝数相差很大

基因	产物	每细胞拷贝数
$dnaG$	引物酶	50
$rpoD$	$\sigma$ 因子	2 800
$rpsU$	30S核糖体S21蛋白	40 000

• 研究者比较了大肠杆菌25种结构蛋白及 $dnaG$、$rpoD$ 序列中64种密码子的使用频率，发现 $dnaG$ 含较多稀有密码子。

蛋白质类型	AUU/%	AUC/%	AUA/%
结构蛋白	37	62	1
$\sigma$ 亚基	26	74	0
DnaG蛋白	36	32	32

• AUA在高效表达的结构蛋白和 $\sigma$ 因子中极少使用，在低表达DnaG中使用频率高。
• 教材还列出7个在不同蛋白质中使用频率差异明显的密码子：UCG（Ser）、CCU（Pro）、CCC（Pro）、ACG（Thr）、CAA（Gln）、AAU（Asn）和AGG（Arg）。
• LacI、AraC、TrpR等低丰度调控蛋白的密码子使用模式也与DnaG相似。

对应稀有密码子的tRNA较少，高频使用稀有密码子会使翻译受阻，从而限制蛋白质总产量。

重叠基因与翻译耦联·

• 重叠基因最早发现于大肠杆菌噬菌体 $\Phi X174$
  • $B$ 基因包含于 $A$ 基因内。
  • $E$ 基因包含于 $D$ 基因内。
  • 不同阅读方式产生不同蛋白质。
• 丝状RNA噬菌体、线粒体DNA和细菌染色体也有重叠基因，除压缩遗传信息外，还可参与表达调控。

trpE-trpD与trpB-trpA·

• 正常情况下，$trpE/D/C/B/A$ 5种基因产物等量。
• $trpE$ 突变后，邻近 $trpD$ 产量会显著低于下游 $trpBA$，提示相邻基因翻译相互耦联。
• $trpE$ 终止密码子与 $trpD$ 起始密码子共用1个核苷酸

$$ 5’-\mathrm{ACU-UUC-UGAUGGCU}-3’ $$

• 其中 $trpE$ 以UGA终止，$trpD$ 由重叠的AUG-GCU起始。
• $trpE$ 翻译终止时，核糖体立即处于 $trpD$ 的起始环境，同一核糖体可连续翻译两个基因。
• $trpB$ 与 $trpA$ 也以相同方式重叠

$$ 5’-\mathrm{GAA-AUC-UGAUGGAA}-3’ $$

• $trpB$ 以UGA终止，$trpA$ 由重叠的AUG-GAA起始。
• 耦联翻译有助于保证相邻基因产物等量。

galT-galK·

• $galT$ 终止密码子与 $galK$ 起始密码子相隔3 nt，并不直接重叠。
• $galK$ 的SD序列位于 $galT$ 终止密码子之前。
• 核糖体在mRNA上的覆盖范围约20 nt，可同时覆盖SD与 $galK$ 起始密码子。
• $galT$ 翻译结束时核糖体尚未脱落，即可结合该SD并起始 $galK$，同样实现等量翻译。

翻译阻遏·

• 大肠杆菌RNA噬菌体Qβ基因组从 $5’$ 至 $3’$ 依次含

  1. 与组装、吸附有关的成熟蛋白基因 $A$。
  2. 外壳蛋白基因。
  3. RNA复制酶基因。

• 感染后，进入细胞的Qβ正链RNA立即作为模板合成复制酶；复制酶与宿主已有亚基组成有功能的酶。

• 此时正链RNA上已有核糖体沿 $5’\rightarrow3’$ 翻译，而复制酶需从 $3’\rightarrow5’$ 合成负链，两个过程方向相反并相互冲突。

• Qβ复制酶兼作翻译阻遏物

  1. 复制酶结合外壳蛋白翻译起始区，与核糖体竞争并阻止新的翻译起始。
  2. 已经起始的核糖体继续完成翻译并脱落。
  3. 复制酶再结合正链RNA的 $3’$ 端，开始负链复制。

• 外壳蛋白翻译起始区与正链 $3’$ 端均含CUUUUAAA序列，并能形成稳定茎-环，构成复制酶识别位点。

魔斑核苷酸与严紧控制·

严紧型与松散型·

• 核糖体蛋白通过反馈阻遏协调各R蛋白的合成。

• 细胞还需使蛋白质总合成速率与rRNA合成速率一致；最早的调控信号是不负载氨基酸的tRNA。

• 大肠杆菌营养缺陷型 $trp^-his-$ 缺少任一必需氨基酸时

  • 蛋白质合成立即下降。
  • RNA合成也下降。

• 另一突变株在氨基酸不足时，蛋白质合成停止但RNA合成不下降。

控制类型	基因型	氨基酸缺乏时的表现
严紧控制	$rel^+$	蛋白质和RNA合成都下降；可产生ppGpp、pppGpp
松散控制	$rel^-$	蛋白质合成停止但RNA合成不下降；教材称不能合成上述鸟苷酸

• 鸟苷四磷酸ppGpp和鸟苷五磷酸pppGpp因最初在层析谱上表现为斑点，被称为魔斑（magic spot）。

信号产生与§ppGpp代谢·

• 旺盛生长时，$65%\sim90%$ 的tRNA负载氨基酸。
• 氨基酸缺乏时，未负载tRNA增加并进入核糖体A位，成为严紧控制信号。
• 正常多肽延伸中，氨酰-tRNA运输需要GTP；教材推测该反应停止后，大量GTP可作为魔斑核苷酸前体。
• 合成相关因子
  • $relA$ 编码教材所称ATP-GTP $3’$ 焦磷酸转移酶。
  • 教材还称该反应需要“翻译起始因子EFTu和EFG”等。
• 生存条件恢复时，$spoT$ 编码的酶降解§ppGpp，使应急反应迅速逆转。

EFTu、EFG被归入“翻译起始因子”是教材原文口径，笔记不以外部分类替换。

ppGpp的多效性·

• ppGpp与cAMP被教材合称为警报素（alarmone）。
• ppGpp可
  • 改变RNA聚合酶与启动子结合的专一性。
  • 影响核糖体蛋白活性。
  • 成为严紧控制的关键。
• 营养良好时：ppGpp低，IF2介导的翻译起始顺利。
• 氨基酸缺乏时
  1. ppGpp显著升高。
  2. 抑制IF2介导的翻译起始。
  3. 未进入翻译起始的70S核糖体单体增加，活性核糖体比例下降。
  4. 抑制核糖体和其他大分子合成。
  5. 激活某些氨基酸操纵子的转录。
  6. 抑制与氨基酸运转无关的系统。
  7. 激活蛋白水解酶，以节约或开发能源。

总逻辑：氨基酸不足 → 未负载tRNA进入A位 → §ppGpp升高 → 抑制翻译起始和大分子合成，同时启动适应饥饿的应急表达。

本章名词·

基因表达调控｜gene regulation　⭐真题

所有生物的遗传信息, 都是以基因的形式储存在细胞内的 DNA(或 RNA) 分子中, 随着个体的发育, DNA 分子能有序地将其所承载的遗传信息,通过密码子-反密码子系统,转变成蛋白质分子,执行各种生理生化功能。这个从DNA到蛋白质的过程被称为基因表达,对这个过程的调节就称为基因表达的调控。

阿拉伯糖操纵子｜arabinose operon　⭐真题

阿拉伯糖操纵子是大肠杆菌中调控阿拉伯糖降解相关基因表达的操纵子，包括结构基因araBAD（araB、araA、araD）以及调节基因araC。其调控区由复合启动子和两个操纵区（O1、O2）构成。AraC蛋白兼具正、负调节功能：无阿拉伯糖时，AraC蛋白作为负调节物抑制转录；有阿拉伯糖且无葡萄糖时，AraC与诱导物阿拉伯糖结合转变为正调节物，并在cAMP-CRP协同下激活araBAD的转录，实现精确调控。

操纵子｜operon　⭐真题

操纵子是原核生物基因表达调控的一种功能单位，通常由启动子、操纵区和一组功能相关的结构基因组成，共同转录产生一条多顺反子mRNA。其调控机制依赖于阻遏蛋白与操纵区的特异性结合，当诱导物存在时，阻遏蛋白构象改变并从操纵区解离，从而开启转录。典型的例子包括乳糖操纵子、色氨酸操纵子等，是原核生物中普遍存在的基因表达调控模式。

乳糖操纵子｜lac operon　⭐真题

乳糖操纵子是大肠杆菌中负责乳糖代谢的基因表达调控单位，是原核生物操纵子模型的经典实例。它包含三个结构基因Z、Y、A，分别编码β-半乳糖苷酶、β-半乳糖苷透过酶和β-半乳糖苷乙酰基转移酶，以及启动子、操纵区和调节基因I。在无乳糖时，调节基因I编码的阻遏蛋白结合操纵区，阻止转录；当乳糖存在时，其作为诱导物与阻遏蛋白结合，使其脱离操纵区，开启基因转录，属于负控诱导系统。

弱化作用｜attenuation　⭐真题

弱化作用(attenuation)是原核生物trp操纵子中一种精细的转录调控机制,通过转录在到达第一个结构基因之前发生过早终止来调节基因表达。其调控信号是细胞内载有色氨酸的tRNA的浓度,该机制依赖于前导区中一段特定的碱基序列(弱化子),缺失该序列可使trp基因表达提高6~10倍。弱化作用作为精细开关,与阻遏作用共同构成色氨酸合成酶基因的双重调控系统,决定已经启动的转录是否继续进行。

色氨酸操纵子｜trp operon　⭐真题

色氨酸操纵子（trp operon）是大肠杆菌中参与色氨酸生物合成的操纵子，由启动子、操纵基因区和多个结构基因（如 trpE、trpG_D、trpCF、trpA、trpB 等）组成，转录产生多顺反子 mRNA。其表达调控包括阻遏系统和弱化作用：阻遏系统作为粗调开关，由辅阻遏蛋白（TrpR 产物）与色氨酸结合形成活性阻遏物，与操纵基因结合抑制转录起始；弱化作用作为精细开关，通过前导区的弱化子响应色氨酸浓度，决定已启动的转录是否提前终止，从而精细调控色氨酸合成酶的水平。

cAMP-CRP结合位点｜cAMP-CRP binding site

cAMP-CRP结合位点是大肠杆菌等原核生物操纵子调控区中的特定DNA序列，能够被cAMP与CRP（CAP）蛋白形成的复合物特异性识别并结合。该位点通常位于启动子附近，当葡萄糖缺乏时胞内cAMP浓度升高，促使CRP结合cAMP并作用于该位点，通过协助RNA聚合酶结合启动子而激活碳源利用相关基因的转录。

Hooke｜Hooke

Hooke是英国科学家，最早使用显微镜观察软木薄片并发现细胞，为细胞学说的建立奠定了基础。

Jacob｜Jacob

法国科学家，与Monod于1961年共同提出乳糖操纵子负控诱导模型，揭示了原核基因表达调控机制，并据此预言mRNA的存在，有力推动了分子遗传学体系的建立与完善。

Monod｜Monod

Monod（雅克·莫诺）是法国科学家，与Jacob于1961年共同提出乳糖操纵子模型，揭示了原核生物基因表达的负调控机制，并预言了mRNA的存在，为分子遗传学的发展奠定了重要基础。

Rodbell｜Rodbell

Rodbell是美国生物化学家，因发现G蛋白及其在细胞信号转导中的作用而获得1994年诺贝尔生理学或医学奖。他阐明了激素与受体结合后通过GTP结合蛋白（G蛋白）将信号传递至细胞内效应器的机制，为理解细胞信号转导奠定了基础。

单链DNA结合蛋白｜single-stranded DNA binding protein

单链DNA结合蛋白（SSB）是在DNA复制过程中，与解旋酶解开双链后暴露的单链DNA结合的蛋白质。它通过稳定单链构象，防止已分开的单链重新退火形成双链，从而保证复制叉的正常推进和后续复制步骤的顺利进行。

负控诱导系统｜negative inducible system

负控诱导系统是原核生物中一种负转录调控机制，由阻遏蛋白介导。在该系统中，无诱导物时，阻遏蛋白与操纵区结合，阻止结构基因转录；当诱导物存在时，诱导物与阻遏蛋白结合使其构象改变并从操纵区脱落，从而开启转录。乳糖操纵子是其典型代表。

负控阻遏系统｜negative repressible system

负控阻遏系统是原核生物转录水平上的一种负调控系统，其调节基因编码的阻遏蛋白通常以无活性的辅阻遏蛋白形式存在。当效应物分子（辅阻遏物）与辅阻遏蛋白结合后，阻遏蛋白被激活，进而结合到操纵区，阻止结构基因的转录。例如色氨酸操纵子中，色氨酸作为辅阻遏物与辅阻遏蛋白结合，进而抑制色氨酸合成相关酶基因的表达。

固氮基因调控｜nitrogen fixation gene regulation

固氮基因调控是指固氮菌中控制固氮酶及相关基因表达的过程。该调控以NifA和σ⁵⁴因子共同激活固氮酶基因（nif）的转录为核心，NifA结合上游激活位点并与σ⁵⁴协同启动转录。同时，调控呈现级联模式：氧浓度通过NifL抑制NifA活性，氨浓度通过NtrC等因子影响nifA表达，从而响应环境信号，避免固氮酶受氧破坏或浪费资源。

柠檬酸合成酶基因｜citrate synthase gene

柠檬酸合成酶基因是编码柠檬酸合成酶的基因。柠檬酸合成酶是三羧酸循环的关键酶，催化草酰乙酸与乙酰辅酶A缩合生成柠檬酸，在能量代谢中发挥重要作用。

顺乌头酸酶基因｜aconitase gene

顺乌头酸酶基因是编码顺乌头酸酶的DNA序列，该酶在三羧酸循环中催化柠檬酸异构化为异柠檬酸，是细胞能量代谢的关键酶之一。

异柠檬酸脱氢酶基因｜isocitrate dehydrogenase gene

编码异柠檬酸脱氢酶的基因，该酶在三羧酸循环中催化异柠檬酸氧化脱羧生成α-酮戊二酸，是细胞能量代谢的关键酶之一。

转录后调控｜post-transcriptional regulation

转录后调控是在转录生成mRNA后，于翻译或翻译后水平进行的基因表达微调，是对转录调控的补充，使基因表达更适应生物需求和外界变化。其机制涉及mRNA自身结构元件对翻译效率的影响，例如原核生物中起始密码子的变异（如GUG、UUG等）会减弱与fMet-tRNA的配对能力，从而降低翻译效率。

σ 因子｜sigma factor

是原核生物 RNA 聚合酶全酶的一个亚基, 是聚合酶的别构效应物, 帮助聚合酶专一性识别并结合模板链上的启动子, 起始基因转录。

安慰性诱导物｜gratuitous inducer

指的是与转录调控中实际诱导物相似的一类高效诱导物, 能诱导酶的合成, 但又不被所诱导的酶分解。

代谢物阻遏效应｜catabolite repression

有葡萄糖存在时,不管诱导物存在与否,操纵子都没有转录活性,结构基因都不表达,只有葡萄糖耗尽时,诱导物才能诱导基因的表达。

二组分系统｜two-component system

由位于细胞质膜上的传感蛋白(该蛋白常常具有激酶活性)以及位于细胞质中的应答调节蛋白组成。传感激酶常在受到膜外环境信号刺激时被磷酸化, 并将其磷酸基团转移到应答调节蛋白上, 使该磷酸化的应答调节蛋白成为阻遏或诱导蛋白, 通过对操纵子的阻遏或激活作用调控下游基因表达。

负控诱导｜negative inducible

是原核生物转录调控的一种方式, 当阻遏蛋白不与效应物(诱导物)结合时, 结构基因不转录。

负控阻遏｜negative repressible

是原核生物转录调控的一种方式, 当阻遏蛋白与效应物(诱导物)结合时, 结构基因不转录。

弱化子｜attenuator

是指原核生物操纵子中能显著减弱甚至终止转录作用的一段核苷酸序列, 该区域能形成不同的二级结构, 利用原核生物转录与翻译的偶联机制对转录进行调节。