现代生物基础 10

现代分子生物学（第6版）ModernMolecularBiology《现代分子生物学（第6版）》配套教学课件第7章原核基因表达调控《现代分子生物学（第6版）》配套教学课件7.1原核基因表达调控总论7.2两个经典调控系统

7.3其他操纵子7.4生物固氮与调控7.5细菌耐药基因的表达调控7.6细菌群体感应7.7转录水平上的其他调控方式7.8转录后调控本章内容在自然界，原核生物及单细胞真核生物直接暴露在变幻莫测的环境中，只有适应不同的环境来合成各种不同的蛋白质，使代谢过程适应环境的变化，才能维持自身的生存和繁衍。因此，不论是真核细胞还是原核细胞都有一套准确地调节基因表达和蛋白质合成的机制。原核生物细胞的基因组较小，据估计，一个原核细胞中总共含有107个蛋白质分子。这些蛋白质并不是以相同拷贝数存在于每个细胞中。组成型(constitutive)合成蛋白：数量稳定，合成速率不受环境或代谢状态的影响适应型/调节型(adaptiveorregulated)合成蛋白：合成速度和总量都随着环境的变化而改变

细菌大多数的基本调控机制执行如下规律：一个体系在需要时被打开，不需要时被关闭。这种“开-关”(on-off)机制是通过调节基因转录来建立的，也就是说通过调节mRNA的合成来实现。当我们说一个系统处于“off”状态时，也可能有本底水平的基因表达，常常是每世代每个细胞只合成1或2个mRNA分子和极少量的蛋白质分子。我们常常使用“off”这一术语，但必须明白所谓“关”实际的意思并不是说这个基因不表达，而是其表达量特别低，低至很难甚至无法检测到。7.1原核基因表达调控总论基因表达(geneexpression)：DNA

分子将其所承载的遗传信息，有序地通过密码子-反密码子系统，转变成蛋白质分子，执行各种生理生化功能，完成生命全过程。基因表达调控

(generegulation/genecontrol)：对基因表达过程的调节称为基因表达调控。图7-1

生物体基因表达的过程第一步：RNA

聚合酶以

DNA

双链中的模板链为模板，合成与模板链序列完全互补(除了

T

被置换成

U

之外)的

RNA

链；第二步：以

RNA

链为模板，在核糖体的作用下翻译成为由氨基酸组成的多肽链。不同的生物使用不同的信号来调控基因表达。原核生物中，营养状况

(nutritionalstatus)和环境因子

(environmentalfactor)对基因表达起着举足轻重的作用。真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平

(hormonelevel)和发育阶段

(developmentalstage)是调控基因表达的最主要因素。基因表达调控转录水平的调控转录后水平的调控mRNA加工成熟水平的调控翻译水平的调控图7-2真核与原核生物转录及翻译调控的总体特征比较原核与真核生物转录与翻译的特点：原核细胞没有细胞核，mRNA边合成边结合核糖体，所以，原核细胞的转录与翻译过程几乎同时发生，即转录与翻译相耦联(coupledtranscriptionandtranslation)。真核生物中，转录产物(primarytranscript)需要从细胞核内运转到细胞核外，才能被核糖体翻译成蛋白质。原核生物只存在一种RNA聚合酶参与转录，而真核生物中有3种RNA聚合酶参与(高等植物如水稻中存在RNA聚合酶

Ⅳ

和V,属于RNA聚合酶

Ⅱ的同源基因)。对于转录后水平的调控，原核生物的蛋白质合成于甲酰-甲硫氨酸(tRNA™")，并且在起始AUG序列上游存在一段富含嘌呤的SD序列(AGGAGGU)，促进翻译起始。真核生物中不存在SD序列，并且蛋白质的合成起始于非甲酰化的甲硫氨酸(tRNAiMet)。7.1.1原核基因表达调控分类原核生物的基因表达调控主要发生在转录水平上(1)负转录调控：阻遏蛋白(repressor)，阻止结构基因转录①负控诱导②负控阻遏(2)正转录调控：激活蛋白(activator)①正控诱导系统②正控阻遏系统图7-3

细菌中的转录调控体系(a)负控诱导系统：阻遏蛋白不与效应物(诱导物)结合时，结构基因不转录(b)正控诱导系统：效应物分子(诱导物)的存在使激活蛋白处于活性状态(c)负控阻遏系统：阻遏蛋白与效应物结合时，结构基因不转录(d)正控阻遏系统：效应物分子的存在使激活蛋白处于非活性状态7.1.2原核基因表达调控的主要特点1.操纵子的调控原核基因表达调控的一个重要特点就是大多数基因表达调控是通过操纵子机制来实现的，如乳糖操纵子、色氨酸操纵子、阿拉伯糖操纵子等。(1)乳糖操纵子；

(2)色氨酸操纵子大肠杆菌在含有葡萄糖的培养基中生长良好，在只含乳糖的培养基中开始时生长不好，直到合成了利用乳糖的一系列酶，具备了利用乳糖作为碳源的能力才开始生长。细菌获得这一能力的原因是因为在诱导物乳糖的诱导下开动了乳糖操纵子，表达它所编码的3个酶：β-半乳糖苷酶、β-半乳糖苷透过酶、β-半乳糖苷乙酰基转移酶。在葡萄糖培养基中生长时，每个细菌细胞内只有几个酶分子，转移到乳糖培养基中，几分钟后，每个细菌细胞内可产生3000个酶分子。色氨酸操纵子由启动子和操纵基因区组成，该操纵基因区控制一个编码色氨酸生物合成需要的5种蛋白质的多顺反子mRNA的表达。一般大肠杆菌中合成色氨酸的操纵子是开启的。如果在培养基中加入色氨酸，使大肠杆菌能直接利用培养基中的色氨酸，大肠杆菌能在2~3min内完全关闭该操纵子。某一代谢途径最终产物合成酶的基因可以被这个产物本身所关闭，这个现象称为可阻遏现象，起阻遏作用的小分子被称为阻遏物。2.转录起始阶段的调控基因表达终止得越早，就越不会将能量浪费在合成不必要的mRNA和蛋白质上。因此，调控其表达开关的关键机制主要发生在转录的起始阶段。(1)核心酶：核心酶参与转录延长，全酶控制转录起始。(2)

σ因子：在转录起始阶段，σ因子负责模板链的选择和转录的起始，使酶专一性识别模断上的启动子。3.转录终止阶段的调控(1)抗终止作用：能够阻止转录终止的蛋白称为抗终止因子。在终止子上游具有抗终止子作用信号，

部分RNA聚合酶能够与抗终止因子结合，跨越终止子序列，顺利通过具有茎-环结构的终止子，使转录继续进行。(2)弱化作用：当操纵子被阻遏，RNA合成被终止时，起终止转录信号作用的那段核苷酸被称为弱化子。弱化作用在原核生物相当普遍。4.转录后调控原核生物在转录水平的调控是最直接最有效的调控方式，而转录后调控是在转录生成mRNA之后，在翻译或者翻译后水平上的“微调”，被认为是对转录水平调控的有效补充。(1)mRNA自身结构对翻译的调节(2)反义RNA对翻译的调控(3)翻译阻遏7.2两个经典调控系统7.2.1乳糖操纵子与负控诱导系统1961年，法国巴斯德研究院的FrancoisJacob与JacquesMonod提出操纵子学说(theoryofoperon)，获得1965年诺贝尔生理学和医学奖。操纵子可视为原核生物的转录单位，它可以逐个地从原核生物基因组中分离出来，对其结构功能加以研究。图7-4lac操纵子主要组分分析结构基因调节蛋白(阻遏蛋白)启动子操纵基因大肠杆菌乳糖操纵子

(lactoseoperon)包括

3个结构基因：Z、Y和

A，以及启动子

(P)、控制子

(O)和阻遏子等。Z

编码

β-半乳糖苷酶，Y编码

β-半乳糖苷透过酶，A编码

β-半乳糖苷乙酰基转移酶。转录的调控是在启动区和操纵区进行的。β-半乳糖苷酶是一种作用于β-半乳糖苷键的专一性酶，除能将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖外，还能水解其他β-半乳糖苷(如苯基半乳糖苷)。β-半乳糖苷透过酶的作用是使外界的β-半乳糖苷(如乳糖)透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。如果用乳糖为大肠杆菌生长的唯一碳源和能源，这两种酶是必需的。β-半乳糖苷乙酰基转移酶的作用是把乙酰辅酶A上的乙酰基转移到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖，它在乳糖的利用中并非必需。1.酶的诱导——lac体系受调控的证据在不含乳糖的培养基中，每个大肠杆菌细胞内大约只有

1-2个利用乳糖的酶分子(β-半乳糖苷酶和透过酶)。如果在培养基中加入乳糖，利用乳糖的酶浓度很快达到细胞总蛋白量的

6%或

7%，每个细胞中可有超过

105个酶分子。由底物诱导合成利用该底物的酶，这种现象称为酶的诱导。图7-5lac体系的“开-关”特性加入乳糖

1～2min后，编码

β-半乳糖苷酶和透过酶的

lacmRNA量就迅速增加。去掉乳糖后，lacmRNA量立即下降到几乎无法检测到。为了避免诱导合成的β-半乳糖苷酶降解，常用两种含硫的乳糖类似物——异丙基β-D-硫代半乳糖苷

(isopropylthio-beta-D-galactoside,IPTG)和巯甲基半乳糖苷

(thiomethylgalactoside,TMG)来代替乳糖。酶活性分析中常使用O-硝基苯-β-D-半乳吡喃半乳糖苷(O-nitrophenylbeta-D-galactopyranoside,ONPG)作为乳糖的替代物。这些乳糖类似物都是高效诱导物，因为它们不是半乳糖苷酶的底物，所以被称为安慰性诱导物(gratuitousinducer)。安慰诱导物由于能在细胞内保持原型不变，因此很有用处。IPTG常用于诱导含有使用了

lac启动子的质粒载体的细菌中表达重组蛋白。图7-63种乳糖类似物结构式2.操纵子模型及其影响因子Jacob和Monod于1961年发表了lac操纵子的负控诱导模式，这一发现可与Watson和Crick在1953年发表的DNA双螺旋模型相媲美。他们还预言了mRNA的存在，这直接导致了后来对mRNA的发现，并推动了对氨基酸密码子的实验研究，从而快速建立和完善了整个分子遗传学体系。Jacob和Monod认为诱导酶(当时称为适应酶)现象是个基因调控问题，乳糖操纵子的控制模型，其主要内容如下：

①Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子的mRNA基因所编码。②这个mRNA分子的启动子紧接着操纵基因区(O)，而位于I与O之间的启动子区(P)，不能单独启动下游mRNA分子的转录。③操纵基因区(Ｏ)是DNA上的一小段序列(仅为26bp)，是阻遏物的结合位点。④当阻遏物与操纵基因结合时，lacmRNA的转录起始受到抑制。⑤诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，使之不能与操纵基因结合，从而激发

lacmRNA的合成。当有诱导物存在时，操纵基因区没有被阻遏物占据，所以启动子能够顺利起始mRNA的合成。图7-7lac操纵子的负调控模型这一简单模型解释了

lac体系及其他负控诱导系统，但后续研究发现乳糖操纵子中也存在正调控。(1)lac操纵子的本底水平表达操纵子理论存在两个无法解释的矛盾。首先，诱导物需要穿过细胞膜才能与阻遏物结合，而转运诱导物需要透过酶，而透过酶的合成又需要诱导。因此，必须解释第一个诱导物是如何进入细胞的。有两种可能性：一些诱导物可以在透过酶不存在时进入细胞，或者一些透过酶可以在没有诱导物的情况下合成。其次，人们发现乳糖(葡萄糖-1,4-半乳糖)并不与阻遏物相结合，真正的诱导物是乳糖的异构体——异构乳糖(葡萄糖-1,6-半乳糖)，而后者是在β-半乳糖苷酶的催化下由乳糖形成的，因此，乳糖诱导β-半乳糖苷酶的合成需要有β-半乳糖苷酶的存在。对这一现象的解释是：在非诱导状态下有少量的

lacmRNA合成(每个世代中有1～5个mRNA分子)，这种合成被称为本底水平的组成型合成

(backgroundlevelconstitutivesynthesis)。(2)大肠杆菌对乳糖的反应假设细菌在甘油培养基中生长，以

lac操纵子的本底水平进行表达，每个细胞内可能存在少量的β-半乳糖苷酶和乳糖透过酶分子。添加乳糖时，通过单个透过酶分子的作用，少量乳糖进入细胞，并在单个β-半乳糖苷酶分子的作用下转变为异构乳糖。异构乳糖与操纵区上结合的阻遏物相结合，使阻遏物失活并离开操纵区，从而启动

lacmRNA的合成。mRNA分子编码大量的β-半乳糖苷酶和乳糖透过酶，导致大量乳糖进入细胞。大部分乳糖被降解为葡萄糖和半乳糖，但仍有许多乳糖转变为异构乳糖，然后与细胞内的阻遏物结合。尽管合成速度较低，但阻遏物持续合成，因此需要足够的异构乳糖来维持细胞的非阻遏状态。阻遏物的失活促使mRNA高速合成，进一步提高了透过酶和β-半乳糖苷酶的浓度。图7-8培养基中有无诱导物对lacmRNA及

β-半乳糖苷酶活性的影响当底物添加乳糖时，本底水平透过酶的存在，使少量乳糖分子进入细胞转变成异构乳糖。一旦培养基和细胞中的乳糖耗尽，由于阻遏物持续合成，活性阻遏物的浓度将超过异构乳糖的浓度，使细胞重新建立阻遏状态，抑制

lacmRNA的合成。在细菌中，大多数mRNA的半衰期只有几分钟。在一个生长周期内，lacmRNA几乎会从细胞中消失。β-半乳糖苷酶和透过酶的合成也会停止，尽管这些蛋白质相对稳定，但其浓度会随着细胞分裂而被稀释。(3)阻遏物lacI

基因产物及功能图7-9LacI的蛋白质结构示意图及负控诱导系统lac操纵子阻遏物

mRNA在弱启动子控制下合成。阻遏蛋白

LacI的

N端是

HTH(helix-turn-helix)DNA结合结构域，中间核心结构域可以和诱导物结合，C端是一个

α螺旋，参与阻遏蛋白的聚合。阻遏蛋白单体通过核心结构域的相互作用形成二聚体，再进一步通过

C端的

α螺旋聚合形成四聚体形式。细胞中不存在诱导物(异构乳糖)时，阻遏物通过二聚体的两个HTH结构域特异性地结合在

lac操纵区中一段

21bp的

DNA序列上，阻止

RNA聚合酶与

lac操纵子启动子区的结合，抑制

lacmRNA的转录。一旦细胞中乳糖水平提高，异构乳糖数量增加，有效结合到阻遏蛋白的核心结构域，引起阻遏蛋白的构象改变，与

DNA结合的特异性降低，阻遏蛋白不再特异性结合

lac操纵区而是随机与

DNA的任意区域相结合。lac操纵子的转录起始区暴露并被

RNA聚合酶结合，激活

lacmRNA的转录。当乳糖耗尽，诱导物异构乳糖减少，失去诱导物的阻遏蛋白会重新特异性结合

lac操纵区，阻止基因转录。当

lacI基因由弱启动子突变成强启动子，细胞内就不可能产生足够的诱导物来克服阻遏状态，因此在这些突变体中，整个

lac操纵子就不可诱导。(4)cAMP与代谢物激活蛋白—乳糖操纵子的正调控cAMP是一种广泛存在于动植物组织中的分子，由ATP在腺苷酸环化酶的作用下合成，在真核生物的激素调节过程中起着重要作用。在大肠杆菌中，cAMP的浓度受到葡萄糖代谢的调节。图7-103′,5′-cAMP的化学结构式在含葡萄糖的培养基中，cAMP的浓度低；但培养基中只有甘油或乳糖，cAMP的浓度会很高，推测糖酵解途径中位于葡糖-6-磷酸与甘油间的某些代谢产物是腺苷酸环化酶活性抑制剂。大肠杆菌中的代谢物激活蛋白(CAP,

cataboliteactivatorprotein)，又称环腺苷酸受体蛋白(CRP,cAMPreceptorprotein)，由

Crp基因编码。CRP和cAMP都是合成

lacmRNA所必需的，突变的

Crp及腺苷酸环化酶基因导致细菌无法合成

lacmRNA。CRP蛋白形成二聚体并结合一个cAMP分子，只有当cAMP装配到CRP蛋白上引发构象改变，cAMP-CRP复合物才能特异地结合到

lac

操纵子上的CAP结合位点(CAPsite)，该位点位于启动子区上游约60bp处，靠近RNA聚合酶所结合的起始位点。CAP分子内有DNA结合区及cAMP结合位点，是一个正调控因子，生化和遗传学实验证明，CAP可以结合到启动子的某个部位而激活操纵子的转录。cAMP与CAP(cataboliteactivatorprotein)结合形成二聚体共同发挥作用。只有cAMP存在时，CAP才有活性。Plac是弱启动子，仅由乳糖存在还不能使细菌很好利用乳糖，必需同时有CAP来加强转录活性，细菌才能合成足够的酶来利用乳糖。图7-11cAMP-CRP复合物激活lac操纵子RNA聚合酶

α亚基的

C端结构域

(αCTD)可以结合

CAP位点，并与

CAP位点附近的

DNA结合。通过与

αCTD的相互作用，cAMP-CRP复合物帮助

RNA聚合酶结合到启动子区域，激活

lacmRNA的转录。半乳糖、麦芽糖、阿拉伯糖、山梨醇等在降解过程中有葡萄糖存在时，操纵子就不表达，称为降解物敏感型操纵子

(catabolitesensitiveoperon)。lac操纵子上的

CAP位点位于转录起始位点上游约

60bp处，紧邻

RNA聚合酶所结合的启动子区。cAMP-CRP被视为与阻遏体系独立的正调控因子，lac操纵子的功能是在这两个调控体系的作用下实现的。CAP不仅参与lac基因的调控，还参与其他基因的表达调控。cAMP-CRP复合物与启动子区的结合是

lacmRNA合成起始必需的，这个复合物结合于启动子上游，使DNA双螺旋发生弯曲，有利于形成稳定的开放型启动子-RNA聚合酶结构。图7-12CRP-cAMP与上游

DNA结合后造成模板

DNA沿对称序列中央发生了大于

90°的弯曲(5)葡萄糖对

lac操纵子的影响图7-13

葡萄糖抑制了

lac操纵子基因的表达当葡萄糖和乳糖同时存在时，

lac启动子表达受阻，没有

β-半乳糖苷酶活性；当葡萄糖消耗完以后(箭头处)，cAMP浓度增加，β-半乳糖苷酶活性增加，细胞又恢复分裂。葡萄糖对

lac操纵子表达的抑制是间接的。即葡萄糖的某些降解产物不是葡萄糖本身抑制

lacmRNA的合成。这种效应被称为代谢阻遏效应

(cataboliterepression)。向乳糖培养基中加入葡萄糖，葡萄糖的降解产物能降低细胞内cAMP的含量，CAP便不能结合在启动子上。此时，即使有乳糖存在，虽已解除了对操纵基因的阻遏，RNA聚合酶不能与启动子结合，也不能转录，所以仍不能利用乳糖。图7-14

葡萄糖对

lac操纵子的调控3.lac操纵子DNA的调控区域——P、O区图7-15不同操纵子

P区及

O区相对位置比较P区:(即启动子区)一般是从I基因结束

到mRNA转录起始位点下游5～10bp。O区:(即阻遏物结合区)位于−7～+28位。有对称性，对称轴在+11位碱基对上。4.lac操纵子中的其他问题(1)lacA基因及其生理功能lacA基因存在于

lac操纵子中，编码了

β-半乳糖苷乙酰基转移酶。A基因的表达产物虽然在乳糖降解中不起作用，但有实验发现，它抑制了β-半乳糖苷酶产物的有害性衍生物在细胞内积累，在生物进化中是有意义的。2.lac基因产物数量上的比较在一个完全被诱导的细胞中，β-半乳糖苷酶、透过酶及乙酰基转移酶的拷贝数比例为1∶0.5∶0.2。酶数量上的差异是由于翻译水平上两种方式调节所致。①lacmRNA与核糖体在翻译过程中解离，导致蛋白质链的翻译终止。

这种现象发生的频率取决于后续AUG密码子重新起始翻译的概率。因此，存在着从mRNA的5′端到3′端的蛋白质合成梯度。②在

lacmRNA分子内部，A基因比Z基因更容易受到内切酶的降解作用。因此，在任何时候Z基因的完整拷贝数要多于A基因。

对于某个活跃表达的多顺反子操纵子，编码的蛋白质的相对浓度取决于每个顺反子的翻译频率。结论：lac操纵子强的诱导作用既需要乳糖又需缺乏葡萄糖。7.2.2色氨酸操纵子与负控阻遏系统trp体系参与生物合成而不是降解，它不受葡萄糖或

cAMP-CRP的调控。色氨酸操纵子(tryptophaneoperon)负责色氨酸的生物合成，当培养基中有足够的色氨酸时，这个操纵子自动关闭，缺乏色氨酸时操纵子被打开，其结构基因表达，为可阻遏的操纵子模型。色氨酸的合成主要分5步完成，涉及5个步骤7个基因，这5种酶的基因紧密连锁在一起，被转录在一条多顺反子mRNA上。图7-16细菌中色氨酸生物合成途径trpE和

trpG编码邻氨基苯甲酸合酶，trpD编码邻氨基苯甲酸磷酸核糖转移酶，trpF编码异构酶，trpC编码吲哚甘油磷酸合酶，trpA和

trpB则分别编码色氨酸合酶的

α和

β亚基。在大肠杆菌等许多细菌中，trpE和

trpG融合成一个功能基因，trpC和

trpB也融合成一个基因，产生具有双重功能的蛋白质。图7-17

细菌中参与分枝酸代谢的主要酶系统细菌中的

pabA和

pabB基因分别编码

ADC合酶的两个亚基，pabC基因编码

ADC裂解酶，ubiC基因编码分枝酸裂解酶，entC基因编码异构分枝酸合酶。这些基因产物都在不同程度上参与了分枝酸代谢，与色氨酸合成有一定关系。图7-18大肠杆菌中的

trp操纵子trpE基因位于trp

操纵子中，是第一个被翻译的基因，和

trpE紧邻的是启动子区和操纵区。前导区和弱化子区分别定名为

trpL和

trpa，位于大肠杆菌染色体图上

25min处。trp操纵子中产生阻遏物的基因是

trpR，该基因位于大肠杆菌染色体图上

90min处。在位于

65min处还有一个

trpS(色氨酸tRNA合成酶)，它与携带有色氨酸的

tRNATrp共同参与

trp操纵子的调控作用。trp操纵子的转录调控包括阻遏系统和弱化系统。1.trp操纵子的阻遏系统trpR基因突变常引起

trpmRNA的组成型合成，该基因产物因此被称为辅阻遏蛋白

(aporepressor)。此蛋白平常不与操纵区相结合。当培养基中有色氨酸时，该阻遏蛋白与色氨酸相结合形成有活性的阻遏物，与操纵区结合并关闭

trpmRNA转录。研究发现，这个系统中的效应物分子是色氨酸，是由

trp操纵子所编码的生物合成途径的末端终产物。当培养基中色氨酸含量较高时，色氨酸与游离的辅阻遏蛋白相结合，并使之与操纵区

DNA紧密结合；当培养基中色氨酸供应不足时，辅阻遏物失去色氨酸并从操纵区上解离，trp操纵子去阻遏。2.trp操纵子的弱化作用除阻遏调控外，trp

操纵子还存在着其他调控机制。在高浓度和低浓度色氨酸下，trp

操纵子的表达水平相差约600倍，然而阻遏作用仅使转录降低至1/70。阻遏物失活突变不能完全消除色氨酸对

trp操纵子表达的影响。通过对缺失突变株的研究发现，这种调控机制是弱化作用（attenuation）。阻遏—操纵机制对色氨酸来说只是一个一级开关，主管转录是否启动，相当于

trp操纵子的粗调开关。弱化作用相当于精细开关，对氨基酸的生物合成进行精细调控并决定已经启动的转录是否继续下去。(1)弱化子弱化系统作为一个细微调控，是通过转录达到第一个结构基因之前的过早终止来实现的，以感受到细胞中色氨酸的浓度调控。细胞中色氨酸的浓度是实现过早终止的根本原因。在

trpmRNA5’端

trpE基因的起始密码前有一个长162bp的mRNA片段被称为前导区。如果删除123～150位碱基序列，trp

基因的表达可提高6～10倍。图7-18大肠杆菌中的

trp操纵子当mRNA合成起始以后，除非培养基中完全没有色氨酸，转录总是在这个区域终止，产生一个仅有140个核苷酸的RNA分子，终止

trp基因转录，这就是123～150区序列缺失会提高

trp基因表达的原因。因为转录终止发生在这一区域，并且这种终止是被调节的，这个区域就被称为弱化子。研究发现，引起终止的mRNA碱基序列可以通过自身配对形成茎-环结构，具有典型的终止子特征。图7-19trp弱化子mRNA的终止区(2)前导区各种实验表明弱化作用需要负载tRNATrp参与，这意味着前导序列的某些部分被翻译了。在色氨酸操纵子中，前导区序列包括起始密码子AUG和终止密码子UGA，但实际观察并没有发现与这些密码子相对应的多肽产物。前导区的功能主要是通过自我配对形成茎-环结构，参与转录的终止和弱化作用，对色氨酸合成的调控起着重要作用。3.

trp

操纵子的其他调控机制大肠杆菌中共有

5个基因参与色氨酸生物合成，构成色氨酸操纵子。其中

trpG～D和

trpC～F

为融合基因，翻译出的多肽具有双重功能。枯草杆菌

(Bacillussubtilis)色氨酸操纵子包括

6个基因，处于一个

12个基因的大操纵子内。第

7个色氨酸合成基因

trpG(pabA)，位于叶酸操纵子中。翻译出来的

TrpG-PabA

多肽链能发挥两个酶的作用，一个用于色氨酸途径，一个用于叶酸途径。图7-20B.subtilis和

E.coli色氨酸操纵子的结构比较在

Bacillussubtilis色氨酸操纵子中，色氨酸激活TRAP调节蛋白并使之与前导RNA相结合，形成RNA终止子结构终止转录。而无负载tRNATrp的聚集使TRAP蛋白失活，从而激活转录和翻译。图7-21B.subtilis中色氨酸操纵子的调控机制当无负载

tRNATrp的浓度升高时，由

rtpA基因编码的

AT蛋白与

TRAP蛋白结合，抑制该蛋白形成转录终止复合物从而激活色氨酸操纵子的转录。大肠杆菌色氨酸操纵子受到由色氨酸激活的阻遏蛋白的调节。一旦转录越过前导区，开始结构基因的转录，又会受弱化子的调控，感受无负载的

tRNATrp的变化，在前导区附近停止或者继续结构基因的转录。7.3其他操纵子7.3.1半乳糖操纵子大肠杆菌半乳糖操纵子

(galactoseoperon)在大肠杆菌遗传图上位于17min处，包括3个结构基因：异构酶(UDP-galactose-4-epimerase,galE)、半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷转移酶(galactosetransferase,galT)、半乳糖激酶(galactosekinase,galK)。这3个酶的作用是使半乳糖变成葡糖-1-磷酸。图7-22gal操纵子、lac操纵子和

ara操纵子的结构及其代谢途径半乳糖操纵子的调节基因是

galR，位于遗传图上55min处。galR与

galE、T、K及操纵区

O等的距离都很远。gal操纵子的诱导物主要是半乳糖。gal操纵子还有两个特点：①有两个启动子：其

mRNA可从两个不同的起始点开始转录；②有两

O区：一个在

P区上游−67～−73，另一个在结构基因

galE内部。1.cAMP-CRP对

gal启动子的作用有葡萄糖存在时，gal操纵子仍可被诱导。图7-23gal操纵子启动区

S1和

S2序列分析分析

gal操纵子

P-O区的碱基序列发现有两个相距仅为

5bp的启动子，gal操纵子可以从两个启动子分别起始基因转录，每个启动子拥有各自的

RNA聚合酶结合位点

S1和

S2。cAMP-CRP对从

S1和

S2起始的转录有不同的作用。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、CRP和较高浓度的

cAMP，cAMP-CRP能够刺激

gal操纵子转录。体外转录研究发现

cAMP-CRP抑制从

S2的转录而刺激从

S1的转录。当有

cAMP-CRP时，转录从

S1

开始，当无

cAMP-CRP时，转录从

S2开始。从

S2起始的转录则完全依赖于葡萄糖，高水平的

cAMP-CRP能抑制由这个启动子起始的转录。cAMP-CRP在

gal

操纵子中所起的调节作用比在

lac

操纵子中更为复杂。大肠杆菌的cya-

或

crp-突变型不能利用乳糖，但可以利用半乳糖作为唯一碳源。有一个

gal启动子突变株，不能利用培养基中的半乳糖，若将此突变株再行突变为

cya-

或

crp-，细胞就恢复了利用半乳糖的能力。因为第一次突变失去了从S1

起始转录的能力，却不影响从S2起始转录的能力。细胞中cAMP-CRP的存在抑制了从

S2开始的基因转录，使

gal

操纵子既不能从

S1

起始又无法从S2起始转录。双重突变后，无论是

cya-

突变，还是

crp-突变，都能移去cAMP-CRP对S₂的阻遏作用，导致

gal

基因表达，恢复利用半乳糖作为能源的能力。一般认为，cAMP-CRP有利于

RNA聚合酶-S1区复合物形成开链构象，从而起始基因转录。同时，由于

S1和

S2区的核苷酸部分重叠，这一复合物的存在干扰了

RNA聚合酶-S2复合物的形成，抑制

S2起始的基因转录。2.双启动子的生理功能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，细胞必须随时合成差向异构酶，以保证尿苷二磷酸的供应。在没有外源半乳糖的情况下，细胞通过半乳糖差向异构酶(galE基因产物)的作用由UDP-葡萄糖合成UDPgal。因为细胞壁合成过程对差向异构酶的需要量很小，因此本底水平的组成型合成就能够满足细胞生理需要。从必要性或经济性考虑，都需要一个不依赖于cAMP-CRP的启动子(S2)进行本底水平的组成型合成，另一个依赖于cAMP-CRP的启动子(S1)对高水平合成进行调节。7.3.2阿拉伯糖操纵子在大肠杆菌中阿拉伯糖的降解需要3个基因：araB、araA和

araD，它们形成一个基因簇，简写为

araBAD。araB

：编码核酮糖激酶；araA

：编码L-阿拉伯糖异构酶；araD：

编码L-核酮糖-5-磷酸-4-差向异构酶。araE和

araF，它们的位置远离这个基因簇，araE和

araF分别编码一个膜蛋白和一个位于细胞壁与细胞膜之间的阿拉伯糖结合蛋白。araBAD三个基因的表达受到ara操纵子中1个基因

araC转录产物

AraC的调控。图7-24ara操纵子上游调控区序列与功能分析与

araBAD相邻的是一个复合启动子区域、两个操纵区(O1,O2)和一个调节基因

araC。AraC蛋白同时显示正、负调节因子的功能。araBAD和

araC基因的转录分别在两条链上以相反的方向进行的。在标准的遗传学图谱上，araBAD基因簇从启动子

PBAD开始向左进行转录，而

araC基因则是从

Pc向右转录。ara操纵子也是可诱导的，阿拉伯糖本身就是诱导物。在野生型操纵子中，只有阿拉伯糖存在时才转录出

araBADmRNA，而有葡萄糖存在时则不转录。腺苷酸环化酶缺陷型和

crp−突变株也不形成

araBADmRNA，说明从

PBAD起始的转录过程也需要

cAMP-CRP。1.AraC蛋白的正、负调节作用构建基因型为

F′araC+/araC−的局部二倍体细胞，发现这类细胞中

ara操纵子可以被诱导，说明

araC+的表达产物产物是正调节蛋白。AraC蛋白既是

ara操纵子的正调节蛋白，又是其负调节蛋白。

araBADmRNA的合成需要一个有功能的

AraC蛋白，这个蛋白质与诱导物阿拉伯糖相结合后，诱导

araBAD基因表达。当

AraC蛋白以正调控因子作用时，起始转录还需要

cAMP-CRP的共同参与。实验发现反应体系中只有AraC蛋白和cAMP-CRP协同作用才能起始

araBAD的转录。用电镜直接观察

ara操纵子DNA分子发现，只有AraC蛋白和cAMP-CRP同时存在的条件下，RNA聚合酶才能与该操纵子的DNA相结合。实验表明，AraC蛋白与诱导物阿拉伯糖相结合后，诱导

araBAD基因表达，并需要cAMP-CRP参与，脱离诱导物即为负调节蛋白。图7-25ara操纵子的表达调控(a)当细胞内没有AraC蛋白时，由

Pc启动子起始

araC基因转录；(b)当体系中葡萄糖水平较高，阿拉伯糖水平较低时，AraC蛋白与操纵区

O2以及

araI诱导因子结合区上半区相结合，形成DNA回转结构，araBAD基因不表达；(c)当体系中有阿拉伯糖但无葡萄糖存在时，AraC蛋白与阿拉伯糖相结合，改变构象成为激活蛋白，AraC蛋白同源二聚体分别与

araO1和

araI区相结合，DNA回转结构被破坏，RNA聚合酶在AraC蛋白和cAMP-CRP的共同作用下起始

PBAD所调控的结构基因表达。2.AraC蛋白的两种形式AraC蛋白作为

PBAD活性正、负调节因子的双重功能是通过该蛋白质的两种异构体来实现的。一般认为，Pr是起阻遏作用的形式，可以与现在尚未鉴定的类操纵区位点相结合。而

Pi是起诱导作用的形式，它通过与

PBAD启动子结合进行调节。没有阿拉伯糖时，Pr形式占优势；一旦有阿拉伯糖存在，它就能与

AraC蛋白结合，使平衡趋向于

Pi形式。3.营养状况对

ara操纵子活性的影响图7-26

各种营养状态下

ara操纵子的表达调控(RNA-P代表

RNA聚合酶)(a)中，培养基含有葡萄糖，cAMP-CRP没有与操纵区位点相结合，AraC蛋白处于

Pr形式并与操纵区

A位点结合，RNA聚合酶不能与

Pc结合，araC基因虽然仍有转录，但受到抑制，只有少量

AraC蛋白形成，整个系统几乎处于静止状态。(b)中没有葡萄糖，也没有阿拉伯糖，因为没有诱导物，尽管有cAMP-CRP与操纵区位点相结合，AraC蛋白仍以Pr形式为主，无法与操纵区

B位点相结合，无

araBADmRNA转录。(c)中无葡萄糖，有阿拉伯糖，大量

araC基因产物以Pi形式存在，并分别与操纵区

B、A位点相结合，在cAMP-CRP的共同作用下，araC和

araBAD基因大量表达，操纵子充分激活。7.3.3阻遏蛋白LexA的降解与细菌中的SOS应答图7-27大肠杆菌中

LexA蛋白阻遏的

SOSDNA损伤修复系统操纵子表达调控模式一般情况下，recA基因表达并不完全受

LexA阻遏，所以，每个细胞中可有

1000个

RecA蛋白单体分散在细胞质中。当细菌

DNA遭到破坏时(如受到紫外线照射)，细菌细胞内会启动一个被称为

SOS的诱导型DNA修复系统。参与SOSDNA修复系统的许多基因虽然分散在染色体的各个部位，但都同时受LexA阻遏蛋白的抑制，平时表达水平很低。SOS体系的诱导表达过程其实就是把LexA阻遏蛋白从这些基因的上游调控区移开的过程。一般情况下，recA基因表达并不完全受LexA阻遏，所以每个细胞中可有1000个RecA蛋白单体分散在细胞质中。严重受损时，DNA复制被中断，单链DNA缺口数量增加，RecA与这些缺口处单链DNA相结合，被激活成为蛋白酶，将LexA蛋白切割成没有阻遏和操纵区DNA结合活性的两个片段，导致SOS体系(包括

recA基因)高效表达，DNA得到修复。只要有活化信号存在，该操纵子就一直处于活性状态。当修复完成后，活化信号消失，RecA蛋白又回到非蛋白水解酶的形式LexA蛋白才逐步积累起来，并重新建立阻遏作用。7.3.4二组分调控系统和信号转导较多情况下，外部信号并不是直接传递给调节蛋白，而是首先通过传感器(sensor)接收信号，然后以不同方式传到调节部位，这个过程就是信号转导

(signaltransduction)。目前已知的最简单的细胞信号系统称为二组分调控系统(two-componentsregulatorysystems)。表7-2大肠杆菌中存在的二组分调控系统二组分调控系统

(two-componentsregulatorysystems)，由两种不同的蛋白质组成：即位于细胞质膜上的传感蛋白

(sensorprotein)和位于细胞质中的应答调节蛋白

(responseregulatorprotein)。因传感蛋白具有激酶活性，所以又称传感激酶。传感激酶常在与膜外环境的信号反应过程中被磷酸化，再将其磷酸基团转移到应答调节蛋白。图7-28细菌中参与信号转导的二组分调控系统磷酸化的应答调节蛋白即成为阻遏蛋白或激活蛋白，通过对操纵子的阻遏或激活作用调控下游基因表达。7.3.5多启动子调控的操纵子1.rRNA操纵子大肠杆菌rRNA操纵子(rrnE)上有两个启动子

P1

和

P2。在对数生长期细菌中，P1起始的转录产物比

P2

起始的产物多3～5倍，所以

P1是强启动子。但是当细菌处于紧急状态时，如氨基酸饥饿条件下，细胞中

ppGpp浓度增加，P1的作用被抑制。因为rRNA是细胞中蛋白质合成机器核糖体的重要组成部分，不能完全停止供应，由

P2

起始的

rrnE基因转录就显得越来越重要。在贫瘠的培养基中，细胞增殖缓慢时，P2是合成rRNA的主要启动子。图7-29大肠杆菌

rrnE上有两个启动子(P1

和P2)随着ppGpp浓度增加，P1

逐渐关闭，而

P2

活性不变。2.核糖体蛋白

SI操纵子与

rrnE操纵子类似的有核糖体蛋白

SI操纵子(rpsA)，它也受应急反应调节。rpsA有4个启动子。P1和

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和

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。7.4固氮基因调控已经发现的能够固氮的生物都是原核细菌、放线菌和蓝藻。根据这些固氮生物的生活状态可以将它们分为3类：

第一种是自养(free-living)固氮菌：

第二种是共生(symbiotic)固氮菌：

第三种是联合(associative)固氮菌：。自养(free-living)固氮菌，独立生活，利用光合作用或者化能合成的能量支持生物固氮过程；

共生(symbiotic)固氮菌，和植物形成互相依赖的共生关系，利用植物提供的养料高效固氮，如豆科植物中形成根瘤的根瘤菌；

联合

(associative)

固氮菌，和植物形成比较松散的互利关系，依附在植物根系附近，吸收植物根系分泌的营养成分，回馈氮化合物。7.4.1固氮酶固氮酶由铁蛋白

(Fe-protein)和铁钼蛋白

(FeMo-protein)两个蛋白质组分构成。一个固氮酶中包含一个铁钼蛋白异四聚体和两个与之结合的铁蛋白异二聚体。

N2＋8e-＋8H+＋16MgATP→2NH3＋H2+16MgADP＋16Pi固氮酶催化的固氮反应是一个氮还原反应，每还原一个氮气分子，需要传递8个电子。在还原氮的同时，固氮酶能把氢质子还原成分子氢。这一反应不利于提高固氮酶活性，因为它既消耗了能量又产生了能竞争性抑制固氮活性的氢分子。而根瘤菌中有些株系(Hup+)能通过氢化酶的作用催化氢和氧的结合，从而利用反应中释放的氢。7.4.2与固氮有关的基因及其表达调控1.NifA和σ54共同激活固氮酶基因的转录图7-30NifA激活nif基因转录固氮基因(nif)的转录是由NifA和

σ54

因子共同激活的。这个过程依赖于ATP的水解。NifA蛋白由

3个结构域组成：C端的

HTH型

DNA结合结构域可以识别并结合

nif操纵子的上游激活位点(UAS,upstreamactivatorsequences)；中间是保守的

AAA+ATP酶活性结构域，可以结合并水解

ATP，并且可以与

RNA聚合酶及

σ54

相互作用，使

NifA聚合成多聚体；N端是调控结构域主要负责

NifA活性的调控。nif基因转录所依赖的

σ54因子识别和结合的是

DNA上

-24和

-12区。σ54也称为

RpoN因子，是

RNA聚合酶全酶的组分，使

RNA聚合酶定位在固氮基因的启动子区域。NifA的多聚体结合到

UAS位点，同时与

RNA聚合酶的

σ54因子结合，影响了

σ54因子的构象使

DNA解链，形成开放式转录起始复合物，激活

nif基因转录。2.固氮基因调控体系中的级联调控模式固氮基因的表达主要由

NifA和

σ54共同在转录水平上调控，而

NifA的活性和表达水平又受其他调控因子的调节，因此，整个固氮基因调控体系是一个级联调控体系。

nifL和

nifA基因位于同一个操纵子。图7-31克氏肺炎杆菌固氮基因受氧浓度和氨浓度影响的级联调控在缺氧环境下，NifL不能结合

NifA；在有氧环境下，NifL可以结合

NifA并抑制

NifA的

ATP酶活性，遏制

nif基因转录。细胞中氨的浓度也会影响固氮基因的表达。NtrC蛋白是

nifA操纵子的激活因子，它的结构和功能类似

NifA，结合上游

DNA并与

RNA聚合酶的

σ54因子相互作用。当

NtrC被磷酸化，可使

DNA解链形成开放复合物并起始转录。NifL是

NifA的负调控因子，仅在部分固氮菌中存在，nifL-型固氮菌的NifA则不受

NifL的调控。细胞中谷氨酰胺的浓度与游离氨的浓度呈正相关。当谷氨酰胺浓度低时，glnD编码的尿苷转移酶能够将尿甘酸(UMP)转移到

GlnB和

GlnK蛋白上。此时，NtrB使

NtrC磷酸化，nifA操纵子被

NtrC激活；谷氨酰胺浓度高时，GlnB和

GlnK蛋白都不发生尿苷化，GlnB结合

NtrB并使

NtrC去磷酸化，nifA操纵子被关闭。氨浓度低时，不带

UMP的

GlnK会抑制

NifL结合

NifA，保证

NifA激活

nif基因表达。不同固氮生物中的调控模式在细节上有很大差异，但是基本上都是响应氧浓度和氨浓度的级联调控模式。7.4.3自生固氮、共生固氮和联合固氮以及人工改造1.自生固氮自生固氮(autotrophicnitrogenfixation)是指一些微生物能够直接从气体中固定氮气，将其转化为可供生物利用的氮化合物。这些微生物通常具备固氮酶酶系，能够将氮气转化为氨或其他有机氮化合物。自生固氮微生物包括蓝藻、绿硫细菌和嗜热菌等。蓝藻具有自养能力并能进行光合作用，拥有特殊的异形胞

(heterocyst)，在异形胞中进行固氮反应。2.共生固氮共生固氮(symbioticnitrogenfixation)是指某些植物与特定的固氮微生物之间建立的共生关系。在这种共生关系中，植物提供合适的生长环境和有机物质，以换取固氮微生物提供固定氮的能力。最典型的例子是豆科植物与根瘤菌的共生固氮关系。根瘤菌寄生在植物的根部形成根瘤，通过固氮酶将氮气转化为可供植物吸收的氨图7-32根瘤菌-豆科植物共生体系建立示意图（a）

典型的依赖于根毛侵染的结瘤过程；（b）

根瘤菌的代谢调控机制。根瘤菌进行共生固氮需要消耗大量能量，这些能量和还原剂主要依赖宿主植物提供，由特定的转运子转运不同的养分。根瘤菌的细胞表面多糖、Ⅲ型分泌系统和Ⅳ型分泌系统分泌的效应蛋白以及结瘤因子是根瘤菌分泌的重要信号分子，对于根瘤菌与豆科植物建立稳定的共生关系至关重要。3.联合固氮及人工改造联合固氮(syntrophicnitrogenfixation)

是指在特定环境条件下，多种微生物相互作用，共同参与氮固定过程。这种固氮方式通常发生在复杂的微生物群落中，各种微生物通过协同作用完成氮固定过程。联合固氮可以在土壤、湖泊、河流等生态系统中发生，各种细菌和古菌的协同作用对固氮起着重要作用。在农业和工业领域，人们通过一系列的工程手段和技术来改造和利用氮循环过程，以满足农作物生长和工业生产的需要。例如，通过施用化肥来提供植物所需的氮源，通过生物技术手段改造固氮微生物，以提高固氮效率或在非共生植物中引入固氮能力等。人工改造氮循环的目的是提高农作物产量和减少对化肥的依赖，同时降低对环境的负面影响。这一领域的研究和应用不断发展，为可持续农业和生态系统管理提供了重要的支持。7.5 细菌耐药基因的表达调控抗生素的发现是人类医学史上的一个重要里程碑。抗生素的使用极大地抑制了细菌感染的流行和相关死亡。然而，随着抗生素的广泛使用，细菌已经通过多种途径获得了对抗生素等抗菌药物的耐受能力。这种耐受能力被称为“细菌耐药性”，获得这种能力的细菌被称为“耐药细菌”。根据不同的耐药机制，2016年科学家们将细菌耐药性分为抗药性

(resistance)、耐药性

(tolerance)

和持留性(persistence)。①抗药性是指细菌通过遗传物质的改变获得的耐药能力，这使得它们的复制和生长不受正常浓度抗生素的影响，并且其最显著特征是抗生素最小抑菌浓度(minimuminhibitoryconcentration，MIC)显著升高。抗药性通常是通过抗性基因的水平转移或基因突变获得的。

②耐药性是由于抗生素的作用过程受到影响，导致整个细菌群体表现出暂时的耐药性。例如，代谢基因突变会导致生长缓慢，但抗生素MIC没有改变，通常需要更长的最短杀菌时间（minimumdurationofkilling99%ofthebacterialpopulation，MDK99）。③持留性是指细菌群体中的一小部分细菌通过表型改变(例如休眠状态)引起的暂时药物耐受现象，这小部分细菌被称为持留菌。7.5.1 耐药基因的分类细菌耐药基因按照它们对抗生素的作用方式和机制进行以下七类：1.药物转运基因(effluxpumpgene)

这些基因编码转运蛋白，能够将抗生素从细菌细胞内部快速排出，减少抗生素在细胞内的积累，从而降低其效果。

多重耐药外排泵基因(multidrugresistanceproteinA，mexA)编码的药物外排泵蛋白能够将多种抗生素从细菌细胞内排出，如氨基糖苷类抗生素和喹诺酮类抗生素。另外，四环素外排泵基因(tetracyclineeffuxtransporterA，tetA)编码的四环素外排泵蛋白，使细菌能够排出四环素类抗生素。

2.抗生素降解基因

(drugdegradationgene)

这些基因编码降解抗生素的酶。它们能够将抗生素分解为无效的代谢产物，减少抗生素对细菌的毒性。β-内酰胺酶基因(broad-spectrumclassAbeta-lactamaseSHV，blaSHV)编码β-内酰胺酶，能够降解青霉素类和头孢菌素类抗生素。氯霉素酯酶基因(chloramphenicolacetyltransferaseA，catA)编码氯霉素酯酶，能降解氯霉素类抗生素。3.抗生素修饰酶基因

(drugmodificationenzymegene)

这些基因编码能够改变抗生素结构的酶，这些酶能够对抗生素进行化学修饰，使其失去或降低与细菌靶标的相互作用能力。氨基糖苷酰基转移酶基因(aminoglycosideacetyltransferaseA，aacA)编码的氨基糖苷酰基转移酶，能够修饰氨基糖苷类抗生素，降低其与靶标的结合能力。磷酸转移酶基因(aminoglycosidephosphotransferaseA，aphA)编码的磷酸转移酶，能够修饰氨基糖苷类抗生素，减少其与靶标的结合能力。4.抗生素靶标修饰基因

(targetmodificationgene)

基因编码对抗生素靶标结构进行修饰或改变的酶或蛋白质。它们可以改变抗生素结合位点的构象，降低抗生素与靶标的亲和力，从而减少抗生素的效果。16SrRNA甲基转移酶基因(rRNAadenineN-6methyltransferase，erm)可以修饰细菌核糖体上的16SrRNA，使其对纪律酮类抗生素失去敏感性。另外靶标变异基因(DNAtopoisomeraseIVsubunitA，parC)编码的DNA拓扑异构酶突变时，会减少对喹诺酮类抗生素的结合。5.抗生素靶标保护基因(targetprotectiongene)

这些基因编码保护抗生素靶标的蛋白质。它们能够结合抗生素靶标，并阻止抗生素与靶标的相互作用，从而保护细菌免受抗生素的影响。tetM(tetracyclineresistanceproteinM)

基因编码四环素抗生素靶标保护蛋白，该蛋白质与细菌核糖体上的16SrRNA结合，阻止四环素类抗生素结合到该区域，从而保护细菌免受四环素的影响。6.抗生素敏感性调控基因(sensitivityregulationgene)

这些基因编码调控抗生素敏感性的蛋白质。它们能够影响细菌对抗生素的感知和响应，调节耐药性的表达水平。如

marA(multipleantibioticresistanceactivator)基因编码MarA蛋白，影响多重耐药的表达。MarA可以调节多个基因的表达，包括药物外排泵和靶标修饰基因，从而影响细菌对抗生素的敏感性。mexR(multidrugresistanceoperonrepressor)基因编码MexR蛋白，调控多重耐药外排泵MexAB-OprM(multidrugresistanceproteinAB-outermembraneproteinM)的表达。当MexR失活时，MexAB-OprM的表达水平升高，导致细菌对多种抗生素的耐药性增加。7.毒素-抗毒素系统

(toxin-antitoxinsystem,TA系统)TA系统在细菌等原核生物中广泛存在，与细菌持留性相关，通常由两个共表达的基因组成。其中一个基因编码不稳定的抗毒素蛋白(antitoxin)，另一个基因编码稳定的毒素蛋白(toxin)。两个蛋白相互作用形成毒素-抗毒素复合物，从而抑制毒素蛋白对细菌的致死作用。在正常情况下，TA系统不会对细菌产生任何威胁作用。然而，一旦毒素与抗毒素之间的动态平衡被打破，炸弹就会爆炸，导致细胞死亡。细菌耐药基因的分类并不是严格的，某些基因可能具有多种功能或跨越不同的分类。此外，细菌耐药性是一个复杂的多因素性状，耐药基因之外还有其他因素如突变累积、水平基因转移等对细菌的耐药性产生影响。7.5.2 耐药基因的传播机制细菌耐药基因可以通过以下几种机制进行传播：1.水平基因转移

这是最常见和重要的耐药基因传播机制之一。水平基因转移指的是细菌之间的基因传递，不受垂直遗传（从父代到子代）的限制。主要的水平基因转移方式包括：①质粒传递;②转座子传递;③整合子传递①质粒传递：质粒是环状DNA分子，可以独立于细菌染色体存在。它们可以携带一个或多个耐药基因，并通过细胞之间的接合管道或细胞主动摄取环境中的游离质粒来传递耐药性。②转座子传递：转座子是可以在基因组中移动的遗传元件。它们可以携带耐药基因，并通过转座酶的介导在细菌基因组中的不同位置进行插入和移动，从而传递耐药性。③整合子传递：整合子是一种综合遗传元件，结合了质粒和转座子的特征。它们可以通过水平基因转移传递耐药基因。2.药物选择压力下的自然选择当存在抗生素或其他药物的选择压力时，那些携带耐药基因的细菌在生存竞争中具有优势。这些细菌能够生存并繁殖，而对抗生素敏感的细菌则会被抑制或杀死。因此，耐药基因可以通过自然选择在细菌群体中迅速传播。①抗生素耐药;②农药抗性;③垂直遗传①抗生素耐药：当细菌暴露在抗生素的存在下，敏感菌株会被杀死，而耐药菌株中可能存在具有耐药基因的变异或质粒，有更高的生存和繁殖机会，导致耐药性基因在细菌群体中的频率增加。②农药抗性：类似于抗生素耐药，农药的使用也可以导致对农药的抗性在昆虫或害虫种群中的增加。那些具有抗性基因的个体在受到农药选择压力时更有可能生存下来，繁殖并传递抗性基因给下一代。③垂直遗传:耐药基因可以通过传统的垂直遗传方式从一个细菌代际传递给下一代细菌。这种遗传方式涉及基因的复制和分离过程。细菌耐药基因的传播是一个持续的过程，可以发生在同一物种的不同菌株之间，也可以跨越不同种类的细菌。这种传播机制使得细菌能够快速适应和抵抗抗生素的作用，增加了抗生素治疗的挑战。7.6 细菌群体感应20世纪60年代，在研究海洋鱼类共生菌费氏弧菌(Vibriofscheri)的发光现象时，发现该细菌发光现象与其密度变化有关，即只有细菌达到一定密度时才会发光。这是人们首次发现在细菌之间也存在着信息的交流。此后，此类研究逐渐增多，并于1994年由Fuqua等首先提出了群体感应的概念。进入21世纪，细菌群体感应系统已经成为微生物界的热点问题。

细菌群体感应系统又被称为群感知系统(quorum-sensingsystem,QS系统)。细菌根据特定信号分子自体诱导剂的浓度变化可以监测周围环境中同种或其他细菌的数量变化，当信号分子达到一定的浓度阈值时，启动菌体中相关基因表达来适应环境中的变化，这一调控系统被称为细菌的群体感应调节系统，这一效应又称为自体诱导现象。细菌利用群体感应协调某些行为，可以简单地反映细菌密度高低，或者是在特定生长环境下所对应的扩散速率指标。7.6.1 群体感应信号分子细菌通过群体感应产生和分泌的传递分子，通常称为自诱导物

(autoinducer,AI)。这些细菌也具有自诱导物的受体，可以侦测到这些分子。当诱导物分子与受体结合时，会激活包括合成诱导物基因在内的特定基因的转录。很少有细菌能够侦测到自身分泌的诱导物，因此细胞必须与其他细胞分泌的信号物质相互结合来活化特定基因的转录机制。图7-33 细菌的群体感应系统（a）

群体感应系统工作原理；(b) AHL介导群体感应的基因表达调控机制；（c） AI-2介导群体感应的基因表达调控机制。当只有少数同类型的其他细菌在附近时，扩散作用会减弱，周围的诱导物浓度也会降低甚至趋近于0。因此，细菌只会制造微量的诱导物。当细菌密度增长时，诱导物的浓度会超过阈值，这时会产生更多的诱导物。这形成了一个正反馈循环，使受体完全激活。受体的激活会诱导其他特定基因的“升调”，几乎让所有细胞同步转录。以费氏弧菌为例，其通过群体感应调控生物发光。当单个细胞独立存在时，其生物发光不会被察觉，也无法实现特定生态功能；但在群体密度较高的情况下，费氏弧菌通过群体感应产生更多荧光素酶，从而集体发光。这种生物发光对宿主生物的偕生现象产生重要作用，同时也避免了能量的浪费。目前发现的群体感应信号分子主要分为以下

4类：1.N-酰基-L-高丝氨酸内酯

(N-acyl-L-homoserinelactone,AHL)

AHL是一类由革兰氏阴性细菌产生的群体感应信号分子，常用于细菌间的通信。不同种类的细菌可以产生不同结构的AHL，通过AHL浓度的积累来调节基因表达和细菌群体行为。2.自感应肽

(autoinducingpeptide,AIP)AIP是由革兰氏阳性细菌产生的群体感应信号分子。这些肽类信号分子可以在群体中积累，并通过细菌内膜的转运系统来感应细菌数量的变化，并触发相关的生理响应。3.队列化信号(quinolonesignaling,PQS)

某些细菌