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雅克·莫诺（Jacques Monod，1910—1976年）是一位深刻的思想家。在其著作《偶然与必然》中，他提出生命是宇宙“偶然”事件的产物，但其一旦出现，就会遵循严格的物理化学“必然”法则来进化和发展。

他也是蛋白质别构调控理论(别构效应)的提出者之一。该理论解释了某些小分子（如底物或抑制剂）如何通过与酶的结合，改变其三维构象，从而调节其活性。这与基因调控一样，是生命体内另一种至关重要的调控方式。

一、原核生物的核心特征：

无成形的细胞核（仅有拟核区裸露DNA）‌、‌仅有核糖体一种细胞器‌、‌以二分裂方式繁殖‌、‌细胞壁主要成分为肽聚糖（支原体除外）‌以及‌遗传物质为环状DNA‌，包括的生物有支原体、衣原体(沙眼)、细菌(乳酸菌、固氮菌以及各种球杆弧螺旋菌等)、蓝细菌即蓝藻(颤藻、念珠藻、发菜等)、放线菌、等。部分为病原体（如结核杆菌），多数参与生态循环（如固氮、分解有机物），且占地球生物量约19%，是研究生命起源和地外生命的重要模型。‌‌

原核生物细胞

二、原核生物的基因结构

原核生物基因结构分为编码区和非编码区：‌‌

原核生物的基因结构简图

‌1、编码区‌(coding region)：包含开放阅读框（ORF）是基因序列中‌从起始密码子（如ATG）开始、不含终止密码子（如TAA、TAG、TGA）的连续核苷酸序列‌，具有编码完整蛋白质的潜能。

每条DNA链存在3种可能的阅读方向，因此一段DNA序列共有6种阅读框（正向3个、反向3个），通常仅一个能翻译为有效蛋白质。

‌2、非编码区（Non-coding region）：不能够转录为相应信使RNA，不能指导蛋白质合成（也就是不能编码蛋白质）的区段。非编码区位于编码区前后，同属于一个基因，控制基因的表达和强弱。

❶5'端非翻译区：含启动子序列和RNA聚合酶结合位点，调控转录起始。‌‌

❷3'端非翻译区：参与mRNA稳定性调控。‌‌

3、原核细胞基因结构主要特点

‌❶基因连续性‌：基因序列连续排列，无内含子或断裂基因，转录后无需剪接即可直接翻译。‌‌

‌❷操纵子结构‌：功能相关基因（如乳糖操纵子）成簇排列，共享一个启动子，转录为多顺反子mRNA，实现协同表达调控。‌‌

‌❸基因组形态‌：主基因组为环状双链DNA，无组蛋白包裹，游离于拟核区；可能携带质粒（小型环状DNA）作为额外遗传物质。‌‌

‌❹序列特征‌：非编码区比例低，重复序列少，基因间隔短，体现结构精简性。‌‌

三、基因表达调控

通过DNA的转录和翻译而产生其蛋白质(或者酶)，或转录后直接产生其RNA产物(rRNA、tRNA等)这一过程称为基因表达(gene expressin)，对这一过程的调节称为基因调控(gene regulation)。

基因表达调控主要分为发生在转录水平上的调控(transcriptional regulation)和翻译水平上的调控(translation regulation)。

原核生物（主要是细菌）的转录和翻译几乎是同时进行的，所以转录水平的调节显得更为重要。

乳糖操纵子模型(Lac operon model)

雅克·莫诺（Jacques Monod，1910—1976年）是一位杰出的法国生物学家，他与弗朗索瓦·雅各布（François Jacob，1920年—）在研究大肠杆菌乳糖分解代谢过程中酶的适应性合成中，共同提出了基因调控的“操纵子模型”。这一发现是分子生物学领域的里程碑，他们也因此在1965年获得了诺贝尔生理学或医学奖。

操纵子(operon)由几个结构基因和控制区域组成，其中控制区域包括启动子和操纵基因(只在原核生物中存在)。调节乳糖消化酶产生的操纵子称为乳糖操纵子(lactose operon)

1、结构基因(structural gene)

是一类编码蛋白质(或酶)或RNA的基因。

❶lac Z基因，决定β-半乳糖苷酶(β-galactosidase)的形成；

❷lac Y基因，决定β-半乳糖苷透性酶(β-galactoside permease)的合成；❸lac A基因，编码β-半乳糖苷乙酰基转移酶(β-galactoside acetylase)。

以上❶❷❸三种基因，只有在乳糖存在的情况下，才能转录和翻译成相应的酶。这些酶被称为诱导酶(inducible enzyme)。

2、调节基因(regulator gene，R)

调节基因位于操纵子的上游，其产物是阻遏蛋白(repressor protein)。

3、启动子(promoter，P)

是一段短的核苷酸序列，它的作用是标志转录起始的位点。(RNA聚合酶在这一点与DNA接触，开始转录)

4、操纵基因(operator，O)

这段基因不编码任何蛋白质，是DNA上一小段序列，是调节基因所编码的阻遏蛋白的结合部位。

大肠杆菌乳糖操纵子的工作原理

（一）大肠杆菌（Escherichia coli）

1、大肠杆菌的分布：

大肠杆菌是人和许多温血动物（如牛、羊、猪、禽类等）肠道中的正常菌群之一。但其在自然环境、食品和物体表面的存在，几乎总是与粪便污染直接或间接相关。

在人类粪便中，大肠杆菌的数量非常庞大，每克粪便中可含有数百万到数十亿个。因此，它成为粪便污染 的标志性指标。

2、大肠杆菌的形态结构

❶细胞壁：大肠杆菌的细胞壁结构复杂，由内膜和外膜两层膜组成

A：肽聚糖层,位于内壁层和外膜之间，层数较少，但赋予了细菌基本的形状和刚性，保护其免受低渗环境的破坏；

B：外膜,是革兰氏阴性菌的特有结构，其外层主要由脂多糖（LPS，内毒素，是致病性的重要物质。当细菌死亡裂解后，脂多糖会释放出来，引起宿主发烧、炎症反应，甚至中毒性休克)

C：周质空间,位于内膜和外膜之间的空隙，含有多种水解酶和结合蛋白。

❷细胞质膜：位于细胞壁内侧，包围着细胞质，是一种半透性的磷脂双分子层结构。主要是控制物质进出、能量代谢、电子传递等。

❸细胞质：一种胶状物质，内含各种代谢所需的酶系、营养物质以及以下重要结构：

A：拟核区,没有核膜包裹的DNA区域，包含一个环状的双链染色体，承载了细菌的主要遗传信息。

B：核糖体,由RNA和蛋白质构成，是蛋白质合成的场所。细菌的核糖体为70S，是许多抗生素（如链霉素、四环素）作用的靶点。

C：内含物,如糖原、脂类颗粒等，是营养物质的储存形式。

❹特殊结构（非所有菌株都具有）

这些结构赋予了细菌特定的功能，如运动性、粘附性和抗性。

A：荚膜

位于细胞壁外的一层疏松、粘稠的透明黏液层，化学成分多为多糖。

抗吞噬作用：帮助细菌抵抗宿主免疫细胞的吞噬，是重要的毒力因子。

抗干燥：保护细菌免受干燥环境的伤害。

粘附：帮助细菌附着在物体表面形成生物膜。

B：鞭毛

大肠杆菌周身长有周生鞭毛，即菌体周围有多根细长的波浪状弯曲的丝状物。

运动器官。鞭毛的旋转驱动细菌在水中进行趋化性运动（如趋向营养物质或逃离有害物质）。

C：菌毛

比鞭毛更细、更短、更直的丝状物，遍布菌体表面。主要起粘附作用，帮助细菌牢固地附着在宿主的黏膜上皮细胞上，是感染的第一步。某些菌毛也与生物膜的形成有关。

D：性菌毛

数量较少，通常一个菌体只有1-2根，比普通菌毛略长。在细菌的接合过程中起作用，用于在两个细菌之间传递遗传物质（如质粒DNA），是抗生素耐药性基因扩散的重要途径之一。

(二) 乳糖(C₁₂H₂₂O₁₁)

乳糖是一种二糖，由一分子葡萄糖和一分子半乳糖通过β-1,4-糖苷键连接而成。它常被称为“奶糖”，因为它是乳汁中特有的糖分。

1、分布：乳糖几乎只存在于乳汁中。

2、主要来源：所有哺乳动物的奶都含有乳糖，包括：

❶牛奶：含量约为4.8%。

❷羊奶：含量与牛奶相似或略低。

❸人乳：含量更高，约为7%。

❹乳制品：乳糖也存在于由奶制成的各种产品中，如奶酪、酸奶、黄油、冰淇淋等。但其含量会因加工工艺而异。

3. 乳糖的消化与吸收(乳糖酶)

人体自身不能直接吸收乳糖，需要先将其分解成单糖。

❶分解过程：在小肠黏膜上，有一种名为乳糖酶的消化酶。它的作用就是将乳糖分解成葡萄糖和半乳糖。

❷吸收过程：分解后产生的葡萄糖和半乳糖才能被小肠上皮细胞吸收，进入血液循环，为身体提供能量。

4、乳糖不耐受(乳糖最受关注的一个方面)：

❶当人体缺乏足够的乳糖酶时，未被分解的乳糖就无法被小肠吸收。

❷未被分解的乳糖会完整地进入大肠→大肠内的肠道菌群会“发酵”这些乳糖，产生大量气体（如氢气、二氧化碳和甲烷）。

❸乳糖还会使肠道内的渗透压升高，导致水分进入肠腔。

(三)大肠杆菌与乳糖

1、大肠杆菌的细胞质中没有乳糖时：

调节基因转录而产生mRNA，这一特定的mRNA是编码阻遏蛋白(变构蛋白)，因为这时没有乳糖的存在，所以阻遏蛋白的活性很高，阻遏蛋白的构象，它能识别操纵基因(O)，并与操纵基因结合，因而，RNA聚合酶就不能与启动子结合，进而使操纵子处于关闭状态，操纵子中全部结构基因不能转录mRNA，不能产生3种特定的诱导酶。

2、大肠杆菌的细胞质中有乳糖存在时：

乳糖与调节基因合成的阻遏蛋白结合，而使阻遏蛋白构象发生改变，失去活性，就不能与操纵基因结合了，导致操纵基因被打开。

RNA聚合酶就与启动子结合，而使结构基因进行转录产生mRNA，进而mRNA翻译成为三种独立的多肽，最后形成三种诱导酶。

大肠杆菌操纵子模型说明，酶的诱导和阻遏是调节基因的产物——阻遏蛋白的作用下，通过操纵基因控制结构基因的转录而发生的。

四、原核基因表达调控分类

(一)原核生物基因表达调控主要发生在转录水平上，根据调控机制的不同，可分为负转录调控(negative transcription regulation)和正转录调控(positive transcription regulation)。

1、负转录调控：

调节基因(转录)→阻遏蛋白(repressor)→阻止结构基因转录。

根据阻遏蛋白的作用特性分为：

❶负控诱导系统(Negative Inducible System)：阻遏蛋白不与效应物结合，结构基因不转录。

负控诱导系统

例如，大肠杆菌乳糖操纵子：

A、基础状态（无乳糖）：阻遏蛋白具有活性，会结合在操纵基因上，结构基因（负责分解乳糖的酶）不表达。这是一个典型的负调控关闭状态。

B、诱导状态（有乳糖）：当乳糖出现时，它会作为诱导物。乳糖与阻遏蛋白结合，使其构型改变并失活，从DNA上脱落，RNA聚合酶可以顺利转录基因，细胞开始合成乳糖代谢酶。这是一个典型的诱导开启状态

❷负控阻遏系统(Negative Repressible System)：阻遏蛋白与效应物结合，结构基因不转录。

负控阻遏系统

例如：大肠杆菌色氨酸操纵子

A、当色氨酸匮乏时（默认状态）：

阻遏蛋白以一种无活性的形态存在，它无法结合DNA。

因此，RNA聚合酶可以自由地转录操纵子，合成色氨酸的酶得以表达，细胞大量生产色氨酸。

B、当色氨酸充足时（阻遏状态）：

此时，细胞内丰富的色氨酸扮演了 “辅阻遏物” 的角色。

色氨酸与无活性的阻遏蛋白结合，导致阻遏蛋白的构象发生改变，使其转变为有活性的形态。

这个激活后的阻遏蛋白能够紧密结合在操纵基因上，像一把锁一样阻止RNA聚合酶通过，从而关闭整个色氨酸合成途径的转录。这样就避免了能量和原材料的浪费

2、正转录调控：

调节基因的产物是激活蛋白(activator)，根据激活蛋白的作用性质分为：

❶正控诱导系统(Positive Inducible System)：

正控诱导系统”分为“正控”和“诱导”这两个部分。“正控”指调控蛋白能启动或增强基因转录，这类蛋白被称为激活蛋白或激活物。“诱导”则指特定的小分子物质（诱导物）出现后，会触发基因的表达。

正控诱导系统：无活性激活蛋白→ （无法结合DNA）→ 基因关闭→（加入诱导物）→有活性激活蛋白→ （结合DNA，促进转录）→ 基因表达

正控诱导系统

在正控诱导系统中，当诱导物不存在时，激活蛋白通常处于无活性状态，无法启动转录，基因因此"关闭"。一旦特定的诱导物出现，它会与激活蛋白结合，使其构象改变成为活性状态；活化的激活蛋白再结合到DNA的特定位点，与RNA聚合酶等转录机器协作，启动或大幅增强基因的转录。

例如：大肠杆菌的乳糖操纵子 (Lac operon) 是一个经典模型，它实际上同时受到负控和正控两种诱导系统的精细调节，这里我们聚焦于其正控诱导的部分：

A、激活蛋白：分解代谢物激活蛋白 (CAP)

B、诱导物：cAMP（环腺苷酸，一种葡萄糖匮乏的信号分子）

C、当环境中葡萄糖缺乏时，细胞内的cAMP水平升高。cAMP作为诱导物与CAP结合，形成cAMP-CAP复合物，这是一个有活性的激活蛋白。该复合物结合到乳糖操纵子的启动子区域，通过弯曲DNA、促进RNA聚合酶与启动子的结合，强力激活乳糖代谢相关基因的转录，使得细菌能够利用乳糖作为替代能源。

❷正控阻遏系统(Positive Repressible System)：

有活性激活蛋白→ （结合DNA，促进转录）→ 基因表达→（加入辅阻遏物）→激活蛋白失活→ （无法结合DNA/促进转录）→ 基因关闭

正控阻遏系统

在正控阻遏系统中，调控基因表达的核心是一个激活蛋白。

A、默认状态（基因表达）：

激活蛋白处于有活性的状态，它结合在DNA的特定位点，帮助RNA聚合酶启动转录。此时，基因是“开启”的，相关蛋白质被持续合成。

B、阻遏状态（基因关闭）：

当一个特定的信号分子——辅阻遏物出现时，它与有活性的激活蛋白结合。这种结合导致激活蛋白的构象改变，使其失去活性，无法再结合DNA或促进转录。由于失去了激活蛋白的帮助，RNA聚合酶无法有效启动转录，基因表达被“关闭”。

一个经典的例子是大肠杆菌的糖解代谢途径中某些酶的调控。

激活蛋白(可能是一个在能量充足时有活性的蛋白)；辅阻遏物(可能是一个高能量信号的终产物，比如某种核苷酸)。

当细胞能量水平很高时，大量的辅阻遏物分子会结合并关闭那些负责合成糖解酶的激活蛋白，从而停止不必要的能量产生过程。

另一种常见的例子是热休克反应的某些方面：

在正常温度下，一种特定的激活蛋白（如CpxR）处于活性状态，促进某些基因的表达。

当遇到压力（如膜蛋白错误折叠）时，压力信号作为辅阻遏物，使该激活蛋白失活，从而关闭其管辖下的基因，将细胞资源重新分配给压力响应基因。

“正控阻遏系统”的本质是：一个在默认状态下由活性激活蛋白维持表达的基因，当其终产物（辅阻遏物）积累到一定水平时，会通过使激活蛋白失活来反馈抑制自身的合成。

(二)转录衰减(Transcription Attenuation)

转录衰减是一种在原核生物中广泛存在的精细调控机制，它允许细菌在转录开始后、完成前，就根据细胞内特定物质的丰裕程度来提前终止转录，从而实现资源的快速响应和节约。

例如：大肠杆菌色氨酸操纵子(Trp operon)

转录衰减的精妙之处在于，它通过mRNA自身结构的变化和翻译速度来感知色氨酸的浓度。

1、关键区域：前导序列

在结构基因（trpE）之前，有一段mRNA序列称为“前导序列”，它包含：

❶一段短的先导肽：其内部有两个相邻的色氨酸密码子。

❷4个功能区段：可以相互配对形成不同的二级结构。

mRNA的前导序列

2. 两种关键的mRNA二级结构：

❶终止子结构：当3区与4区配对时，会形成一个不依赖于ρ因子的转录终止子结构，导致RNA聚合酶脱落，转录提前终止。

终止子结构

❷抗终止子结构：当2区与3区配对时，3区就无法与4区配对，终止子结构无法形成，RNA聚合酶可以继续转录，基因得以完整表达。

抗终止构型

3. 细胞如何根据色氨酸浓度做出决策：

情况一：色氨酸匮乏时（允许转录）

❶核糖体开始翻译前导肽，但移动到两个色氨酸密码子时，由于缺少携带色氨酸的tRNA，核糖体在此处停滞。

❷核糖体的停滞位置覆盖了1区，使得1区无法与2区配对。

❸因此，在转录过程中，新生的2区会立即与3区配对，形成抗终止子结构。

❹由于3区被2区占用，4区被孤立，无法形成终止子结构。

❺转录得以继续，完整的色氨酸合成酶基因被表达。

情况二：色氨酸充足时（提前终止）

❶核糖体可以顺利翻译前导肽，包括那两个色氨酸密码子，并最终在1区末端停止。

❷此时，核糖体的位置覆盖了1区和2区的一部分。

❸当3区被转录出来后，1区和2区因被核糖体占据而无法配对，自由的3区只能与随后转录出的4区配对。

❹3区和4区形成终止子结构。

❺RNA聚合酶接收到终止信号，提前脱落，转录在第一个结构基因之前被中止，仅产生一段无功能的前导mRNA。

原核生物通过这些多层次、相互关联的调控网络，实现了对基因表达的精准控制，使其能够在复杂多变的环境中生存和繁衍。其中，操纵子模型和转录衰减是其最具特色的调控策略。

五、研究原核生物的基因表达调控有什么用？

1、基础科学价值：

理解生命的基本法则。原核生物（如细菌）结构简单，易于培养和遗传操作，是研究基因调控的理想模型。

法国生物学家Jacob和Monod通过对大肠杆菌乳糖代谢的研究，提出的著名的操纵子模型，揭示了基因如何通过调控蛋白（阻遏物、激活物）和特定DNA序列（操纵子、启动子）来被协同开启或关闭。这是现代分子生物学的基石之一。

通过研究原核生物，我们深入理解了转录调控、转录后调控、翻译调控等基本过程，这些机制在所有生物体中都有共通之处。

2、生物技术与工业应用：

高效的“细胞工厂”。通过操控基因调控，我们可以将细菌改造成高效的生产机器。

❶生产重组蛋白：最经典的例子是胰岛素。通过将人类胰岛素基因插入大肠杆菌的表达载体（包含强启动子等调控元件），我们可以让细菌大量生产人胰岛素，造福全球糖尿病患者。

❷生产工业酶制剂：许多用于洗涤剂、食品加工（如淀粉酶）、造纸和纺织业的酶都是由工程菌生产的。通过优化调控序列，可以最大化产量并降低成本。

❸合成生物学：这是更前沿的领域。科学家像搭乐高一样，利用已知的调控元件（启动子、核糖体结合位点等）设计合成基因线路，让细菌执行复杂任务，如感知环境信号、进行逻辑运算、生产新型生物燃料（如丁醇）或药物前体。

3、医学与药学：

对抗传染病和新药研发。理解病原菌的基因调控，是开发新抗菌策略的关键。

❶新型抗菌药物靶点：许多病原菌的毒力（致病能力）是由特定的基因调控系统控制的。例如，群体感应 是细菌通过信号分子交流，协调群体行为（包括生物膜形成和毒素释放）的调控机制。针对群体感应系统的药物可以“麻痹”细菌的通信，使其无法致病，而不杀死它们，从而减少抗生素耐药性的产生。

❷理解耐药性：细菌对抗生素的耐药性也受到精密调控。例如，某些耐药基因只在接触抗生素时才被激活。研究这些调控机制有助于我们预测和应对耐药性的发展。

❸疫苗开发：通过敲除或调控病原菌的毒力基因，可以制备减毒活疫苗。

4、环境与农业：

解决污染与提高产量。

❶生物修复：某些细菌可以降解石油泄漏、有毒化学物（如多氯联苯）和重金属。通过研究并增强这些降解途径的基因表达，可以培育出高效降解污染物的工程菌，用于环境修复。

❷农业生物技术：

微生物肥料：根瘤菌等固氮细菌与豆科植物共生，其固氮基因受到严格的调控。理解这一过程有助于开发更高效的固氮菌剂，减少化学氮肥的使用。

❸生物杀虫剂：苏云金芽孢杆菌能产生对特定昆虫有毒的Bt蛋白。其基因调控机制已被阐明，并成功应用于转基因抗虫作物。

总而言之，研究原核生物的基因表达调控，远不止是满足科学家的好奇心。它为我们提供了一套基础工具和深刻见解，使我们能够重新编程这些最简单的生命形式，让它们为人类的健康、工业和可持续发展服务。

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