现代分子生物学（第6版）习题及解答 第7章-思考题解析

第7章思考题解析

1.简述代谢物对基因表达调控的两种方式。

答：根据调控机制的不同可分为负转录调控和正转录调控。

在负转录调控系统中，调节基因的产物是阻遏蛋白。阻止基因的转录。包括：

（1）负控诱导：阻遏蛋白与效应物结合时，基因转录。

（2）负控阻遏：阻遏蛋白与效应物结合时，基因不转录。

在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白。包括：

（1）正控诱导：有效应物时，激活蛋白处于活性状态，基因转录。

（2）正控阻遏：有效应物时，激活蛋白处于无活性状态，基因不转录。

2.什么是操纵子学说？。

答：Jacob和Monod通过大量实验及分析提出操纵子学说，其内容如下：Z、

Y、A基因产物由同一条多顺反子mRNA编码，该mRNA的启动区（P）位于阻

遏基因（1）与操纵区（O）之间，不能单独起始半乳糖昔酶和透过酶基因的表

达。操纵区是DNA上的一小段序列（仅为26bp）,是阻遏物的结合位点。当阻

遏物与操纵区相结合时，lacmRNA的转录起始受到抑制；诱导物通过与阻遏物

结合，改变其三维构象，使之不能与操纵区相结合，诱发lacmRNA的合成。

3.简述乳糖操纵子的调控模型？

答：乳糖操纵子模型中依次排列着启动子、操纵基因和三个结构基因，它们

分别编码。-半乳糖甘的、半乳糖背透性酶和供硫半乳糖普转乙酰基酶，三个基

因受同一个操纵基因控制。

当没有乳糖存在时，lac操纵子处于阻遏状态。阻遏蛋白阻碍RNA聚合酶与

启动子P的结合，阻止启动基因上的RNA聚合的进行转录，这是一种负调节作

用。

当有乳糖存在时，乳糖与阻遏蛋白结合，使之发生变构而失去活性，因而不

能与操纵基因结合，导致RNA聚合酶进行转录，产生上述三种酶，使大肠杆菌

能利用乳糖。

培养基中有葡萄糖存在，葡萄糖的降解产物能降低细胞内cAMP含量，影

响CAP与启动基因结合，也影响RNA聚合酶与启动基因结合，因此，花半乳糖

昔酶等三个酶儿乎不能产生。这是一种正调控作用。

4.什么是葡萄糖效应？

答：葡萄糖效应是指在有葡萄糖存在的情况下，即使在细菌培养基中加入乳

糖、半乳糖、阿拉伯糖或麦芽糖等诱导物，与其相对应的操纵子也不会后动，产

生出代谢这些糖的酶。这种葡萄糖的存在阻止了其他糖类利用的现象，称为葡萄

糖效应，也称为降解物阻抑(cataboliter叩ression)。

5.什么是弱化作用？

答：弱化作用(attenuation)是一种翻译调控机制。在该机制中,核糖体沿

着mRNA分子的移动的速率次定转录是进行还是终止。在大肠杆菌色氨酸操纵

子中，细菌的转录和翻译几乎同步进行，RNA聚合酶在转录前导序列时，核糖

体和相应的tRNA紧随其后翻译前导肽。当介质中Trp浓度很低时，tRNAT相

应短缺，核糖体移至重叠区两个Trp密码子时，因缺少相应tRNA即而停滞不前，

使1区不能和2区配对，所以2区和3区配对，结果不能形成3-4区配对的终止

子结构，因此RNA聚合酶能继续转录下去，操纵子得以表达。当介质中Trp浓

度高时，核糖体与足星的IRNA"P紧随聚合酎后迅速合成前导肽，并在位于1区

和2区之间的终止密码子处停止，不影响1区和2区的配对，所以3区可以和4

区配对，形成终止子结构，使RNA聚合酶在此终止，从而阻止操纵子酶基为的

转录和翻译。当所有氨基酸都不足时，核糖体翻译移动的速度就更慢，甚至不能

占据1的序列，结果有利于1、2和3、4发夹结为的形成，于是RNA聚合酶停

止转录。

6.简述抗终止因子的调控机制？

答：抗终止因子是能够在特定位点阻止转录终止的一类蛋白质。当这些蛋白

质存在时，RNA聚合酶能够越过终止子，继续转录DNA。抗终止因子在RNA

聚合酶到达终止子之前与之结合，因为在终止子上游存在抗终止作用的信号序列,

只有与抗终止因子相结合的RNA聚合酶才能顺利通过具有茎-环结构的终止子,

使转录继续进行.例如参与大肠杆菌抗终止作用的蛋白是Nus蛋白。NusA和

us因子不能同时结合到RNA聚合酶上。只要RNA聚合酶结合在DNA上，

NusA就不会从RNA聚合酶上解离，而。因子可以取代游离RNA聚合酶上的

NusA,因此，在转录起始和终止的过程中RNA娶合酶分别受到。因子和NusA

的调控。转录起始不久，。因子从RNA聚合酶上解离下来，NusA蛋白就结合

到核心RNA聚合酶上。NusA的结合增加了RNA聚合酶在终止子发夹结构处

暂停的过程，从而促进抗终止作用的发生。

7.简述反义RNA调控机制？

答：反义RNA（antisenseRNA）是指与mRNA互补的RNA分子。这种反

义RNA通过序列互补与特定的mRNA结合，抑制mRNA的翻译。其调控机制

有：（1）与前mRNA结合，影响mRNA的成熟和在胞浆内转运；（2）与相应

的靶RNA结合激活RNase,加速靶RNA的降解；（3）直接与起始密码子AUG

结合而阻止翻译的启动；（4）互补作用于SD编码区的反义RNA可阻止核牖体

与mRNA的结合。

8.简述原核基因转录后调控的不同方式？

答：基因在转录水平的调控是生物最经济的调控方式，但转录生成mRNA

以后，再在翻译或翻译后水平进行“微调”，是对转录调控的补充。它使基为表

达的调控更加适应生物本身的需求和外界条件的变化。主要有：

（1）mRNA自身结构元件对翻译起始的调控：起始密码子AUG上游的一

段非翻译区的结合强度取决于SD序列的结构及其与起始密码AUG之间的距离，

SD与AUG之间距离一般以4〜10个核甘酸为佳，9个是最佳的。此外，mRNA

的二级结构影响核糖体与mRNA的结合，也会造成蛋白质合成效率上的差异。

（2）mRNA稳定性对转录水平的影响：降解mRNA的酶都是3,一5,外切核

酸酶，但mRNA的二级结构具有阻遏这些酶的作用。IR（反向重复顺序）的存

在可以防止3,一5,外切核酸酶的降解作用，有利于转录产物的积累。

（3）蛋白质的调控作用：有些mRNA编码的蛋白质，本身也可以对相应

mRNA的翻译过程产生调节作用，这是一种自身翻译调控作用。如自体调控物

r・蛋白与rRNA上结合位点结合的程度比其他mRNA上结合位点的程度强，所以

当存在游离rRNA时，最新合成的r-蛋白与rRNA结合开始装配核糖体，此时没

有游离的r-蛋白与mRNA的结合，mRNA的翻译继续。一旦「RNA合成减慢或

停止，游离r-蛋白富集，就能与他们的mRNA结合，阻止其继续翻译，即：只

要相对于RNA有多余的蛋白，r.蛋白的合成就会被阻止。因此，蛋白质合成

的自体调控保证了核糖体蛋白质与RNA在数量上的平衡。

（4）反义RNA的调节作用：反义RNA通过互补的碱基与特定的mRNA

结合（结合位点通常是mRNA上的SD序列、起始密码子AUG和部分N端的密

码子）来抑制mRNA的翻译。

（5）稀有密码子对翻译的影响：细胞内对应于稀有密码子的tRNA较少，

不易获得，这样就延长了核糖体在mRNA上滑前的时间，降低了翻译的速度；

高频率使用这些密码子的基因翻译过程容易受阻，影响了蛋白质的总量。

（6）重叠基因（overlappinggene）对翻译的影响：正常情况下，色氨酸操

纵子5个基因产物是等量的，这是由于其相邻两基因之间有重叠现象，翻译出现

偶联。偶联翻译可能是保证两个基因产物在数量上相等的重要手段。

（7）翻译的阻遏：在大肠杆菌RNA噬菌体Q。中发现复制酶可以作为翻译

阻遏物来调控蛋白质的合成。纯化的复制酶可以和外壳蛋白的翻译起始区结合，

阻止了核糖体与起始区的结合，不能重新起始翻译。但已经起始的翻译仍能继续

下去，直至完毕。

（8）魔斑核甘酸水平对翻译的影响：魔斑核甘酸是指ppGpp和pppGpp分

子，当细胞缺乏氨基酸时产生魔斑核甘酸，可在很大范围内做出系列应急反应，

如抑制核糖体和其他大分子合成，活化某些氨基酸操纵子的转录表达，抑制与氨

基酸转运无关的转运系统,活化蛋白水解酶等，以节省或开发能源，以渡过难关。

9.简述ppGpp是如何参与细菌的应急反应c

答：严谨反应是细菌适应逆境的重要机制之一，当细胞感知外界可利用氨基

酸缺乏时，能快速启动受ppGpp控制的生长速率调节机制。当细菌处于氨基酸

全面匮乏时，会采取一种应急反应以求生存，即停止包括各种RNA（特别是rRNA）

在内的几乎全部生物化学反应过程，只保持维持生命最低限量的需要。实施这一

应急反应的信号，是鸟昔四磷酸（ppGpp）和鸟昔五磷酸（pppGpp）,产生这二

种物质的诱导物是空载tRNAo

氨基酸缺乏时，出现大量空载tRNA,空载tRNA会激活焦磷酸转移酶，使

ppGpp和pppGpp大量合成，其浓度可增加10倍以上。ppGpp的出现会关闭许

多基因，也会打开一些合成氨基酸的基因，以应付这种紧急情况。关于ppGpp

和pppGpp的作用原理，目前认为有二种可能：①ppGpp与RNA聚合酶结合，

使后者构型发生改变，从而识别不同的启动子，改变基因转录的效率，如关闭或

减弱一些基因转录、增加一些基因转录；②ppGpp与启动子结合，使后者不再

与RNA聚合酶结合，导致基因被关闭。

10.什么是。因子，简述。因子在原核基因调控中的作用。

答：o因子是原核生物RNA聚合酶的一个亚基，是转录起始所必需的因子，

主要影响RNA聚合酶对转录起始位点的正确识别。常见的o因子为o70,此外还

有分子量不同，功能不同的其他。因子。

o因子对识别DNA链上的转录信号是不可缺少的，它是核心酶和启动子之

间的桥梁。。因子与RNA聚合酶核心酶的结合是原核生物RNA合成起始的关键

步骤。。因子与RNA聚合酶核心酶结合的亲和力会影响特定基因表达量的大小，

从而对生命活动进行调节。在转录起始阶段，。因子识别特异启动子序列；不同

的o因子决定特异编码基因的转录激活，也决定不同RNA(mRNA>rRNA和tRNA)

基因的转录。。因子在转录延长时脱落。

11.简述细菌的群体感应和调控机制。

答：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，便启动菌体中相关基

因的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，如根据细菌族群的局部密度的生物膜形成、

细菌的毒力，以及细菌对抗生素的抗药性。其调控机制包含以下四种：

1.AHL信号通路调控机制：AHL是一种由合成酶复合物合成并通过摸自

由扩散的传信分子。AHL能够被细菌内部的受体识别，并与靶基因调控元件结

合。许多革兰氏阴性细菌利用由AHL合酶和转录激活蛋白构成的LuxI/LuxR型

群体感应系统。

2.AIP信号通路调控机制：在革兰氏阳性细菌中，群体感应通常由AIP小

分泌肽控制。AIP是由5-87个氨基酸组成的线性或环状肽，通过内酯和硫代内

酯键环化起到氨基酸修饰和内酯化作用，从而提高AIP在细胞外环境中的稳定

性。AIP在细胞内翻译、修饰，经ATP结合盒(ATP-bindingcassette,ABC)转运

蛋白运输到细胞外。当细胞外AIP的浓度累积到阈值水平时，双组分传感器激

酶检测到AIP的存在，引发后续的磷酸化级联反应。磷酸化后的反应调节蛋白

能够与靶基因启动子区域的DNA结合，从而调控靶基因的转录过程。

3.PQS信号通路调控机制：PQS的感知是通过细菌表面上的特定受体蛋白

完成的，其中包括队列化信号调节因子MvfR(multiplevirulencefactorregulator)

和QscR(quorum-sensingcontrolrepressor)等。这些受体蛋白能够结合PQS信号

分子并发生构象变化，从而激活下游的信号传导途径，这些次级信号分子进一步

参与细菌的生理调节和群体行为。这个通路的激活可以促进多种生理过程，如生

物膜形成和多种生物活性物质的合成。

4.AI-2信号通路调控机制：AI-2群体感应系统最早在哈维弧菌中发现，是

一种革兰氏阳性和阴性菌产生的群体感应信号•，用于种间交流。AL2由广泛存

在于多种细菌中的luxS基因合成。涉及两个主要的酶促步骤：①甲硫腺昔核甘

酶去除S-腺首同型半胱氨酸(SAH)的腺嗓吟并生成S-核糖同型半胱氨酸(SRH)。

②SRH酶将SRH转化为同型半胱氨酸和4,5-二羟基-2,3-戊二酮(DPD)。由于

DPD不稳定，会自发环化和重排从而形成AL2。

12.什么是细菌耐药性。

答：抗生素的使用