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原核生物的基因调控

科学家把这个从DNA到蛋白质的过程称为基因表达(gene expression)，对这个过程的调节就称为基因表达调控(gene regulation或gene control)。
要了解动、植物生长发育的规律、形态结构特征和生物学功能，就必须弄清楚基因表达调控的时间和空间概念，掌握了基因表达调控的秘密，我们手中就有了一把揭示生物学奥妙的金钥匙。
基因表达调控主要表现在以下几个方面：
① 转录水平上的调控(transcriptional regulation)；
② mRNA加工成熟水平上的调控(differential processing of RNA transcript)；
③ 翻译水平上的调控(differential translation of mRNA).
原核生物中，营养状况(nutritionalstatus)和环境因素(environmental factor)对基因表达起着举足轻重的影响。在真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平(hormone level)和发育阶段(developmental stage)是基因表达调控的最主要手段，营养和环境因素的影响力大为下降。
二、基因表达调控的基本原理　　
（一）基因表达的多级调控
　　基因的结构活化、转录起始、转录后加工及转运、mRNA降解、翻译及翻译后加工及蛋白质降解等均为基因表达调控的控制点。可见，基因表达调控是在多级水平上进行的复杂事件。其中转录起始是基因表达的基本控制点。
　　四个基本的调控点：
　　（1）基因结构的活化。DNA暴露碱基后RNA聚合酶才能有效结合。活化状态的基因表现为：1.对核酸酶敏感；2.结合有非组蛋白及修饰的组蛋白；3.低甲基化。
　　（2）转录起始。最有效的调节环节，通过DNA元件与调控蛋白相互作用来调控基因表达。
　　（3）转录后加工及转运。RNA编辑、剪接、转运。
　　（4）翻译及翻译后加工。翻译水平可通过特异的蛋白因子阻断mRNA翻译翻译后对蛋白的加工、修饰也是基本调控环节。
（二）基因转录激活调节基本要素
　　1．DNA序列
　　原核生物大多数基因表达调控是通过操纵子机制实现的。操纵子通常由 2个以上的编码序列与启动序列、操纵序列以及其他调节序列在基因组中成簇串联组成。启动序列是RNA聚合酶结合并起动转录的特异DNA序列。多种原核基因启动序列特定区域内，通常在转录起始点上游-10及-35区域存在一些相似序列，称为共有序列。大肠杆菌及一些细菌启动序列的共有序列在-10区域是TATAAT，又称Pribnow盒（PribnowBox），在-35区域为 TTGACA。这些共有序列中的任一碱基突变或变异都会影响RNA聚合酶与启动序列的结合及转录起始。因此，共有序列决定启动序列的转录活性大小。操纵序列是原核阻遏蛋白的结合位点。当操纵序列结合阻遏蛋白时会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合，或使RNA聚合酶不能沿DNA向前移动，阻遏转录，介导负性调节。原核操纵子调节序列中还有一种特异DNA序列可结合激活蛋白，使转录激活，介导正性调节。
　　顺式作用元件就是指可影响自身基因表达活性的 DNA序列。在不同真核基因的顺式作用元件中会时常发现一些共有序列，如 TATA盒、CCAAT盒等。这些共有序列就是顺式作用元件的核心序列，它们是真核RNA聚合酶或特异转录因子的结合位点。顺式作用元件通常是非编码序列。顺式作用元件并非都位于转录起点上游（5′端）。根据顺式作用元件在基因中的位置、转录激活作用的性质及发挥作用的方式，可将真核基因的这些功能元件分为启动子、增强子及沉默子等。
　　2．调节蛋白
　　原核调节蛋白分为三类：特异因子、阻遏蛋白和激活蛋白。特异因子决定RNA聚合酶对一个或一套启动序列的特异性识别和结合能力。阻遏蛋白可结合操纵序列，阻遏基因转录。激活蛋白可结合启动序列邻近的DNA序列，促进RNA聚合酶与启动序列的结合，增强RNA聚合酶活性。
　　真核调节蛋白又称转录因子。绝大多数真核转录调节因子由某一基因表达后，通过与特异的顺式作用元件相互作用（DNA-蛋白质相互作用）反式激活另一基因的转录，故称反式作用因子。有些基因产物可特异识别、结合自身基因的调节序列，调节自身基因的开启或关闭，这就是顺式作用。具有这种调节方式的调节蛋白称为顺式作用蛋白。
　　3．DNA-蛋白质、蛋白质和蛋白质相互作用
　　DNA-蛋白质相互作用指反式作用因子与顺式作用元件之间的特异识别及结合。这种结合通常是非共价结合。
　　绝大多数调节蛋白结合 DNA前需通过蛋白质-蛋白质相互作用形成二聚体或多聚体。所谓二聚化就是指两分子单体通过一定的结构域结合成二聚体，它是调节蛋白结合DNA时最常见的形式。由同种分子形成的二聚体称同二聚体，异种分子间形成的二聚体称异二聚体。除二聚化或多聚化反应，还有一些调节蛋白不能直接结合DNA，而是通过蛋白质一蛋白质相互作用间接结合DNA，调节基因转录。
　　4．RNA聚合酶
　　DNA元件与调节蛋白对转录激活的调节最终是由RNA聚合酶活性体现的。启动序列／启动子的结构，调节蛋白性质对RNA聚合酶活性影响很大。
　　(1)启动序列或启动子与RNA聚合酶活性：原核启动序列或真核启动子是由转录起始点、RNA聚合酶结合位点及控制转录的调节组件组成。会影响其与RNA聚合酶的亲和力，而亲和力大小则直接影响转录起始频率。
　　（2）调节蛋白与RNA聚合酶活性：一些特异调节蛋白在适当环境信号刺激下在细胞内表达，随后这些调节蛋白通过DNA-蛋白质相互作用、蛋白质-蛋白质相互作用影响RNA聚合酶活性，从而使基础转录频率发生改变，出现表达水平变化。
三、原核基因表达调控
原核生物的调控主要发生在转录水平上，根据调节机制的不同分为负转录调控和正转录调控。在负调控系统中，调节基因的产物是阻遏蛋白（repressor），起着阻止结构基因转录的作用。根据作用特征又可分为负诱导作用和负阻遏作用。在负诱导系统中，阻遏蛋白不与效应物（诱导物）结合时，结构基因不转录；在负控阻遏系统中，阻遏蛋白与效应物结合时，结构基因不转录。在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白（activator）。在正控诱导系统中，诱导物的存在使激活蛋白处于活性蛋白；在正控阻遏系统中，效应物分子的存在是激活蛋白处于非活性状态。
（一）原核基因调节特点
σ因子决定mRNA识别特异性 原核生物细胞仅含有一种RNA聚合酶，核心酶参与转录延长，全酶司转录起始。在转录起始阶段，σ亚基（又称σ因子）识别特异启动序列；不同的σ因子决定特异基因的转录激活，决定tRNA、mRNA和rRNA基因的转录。
（二）乳糖操纵子调节机制
1乳糖操纵子的发现
细菌能随环境的变化，迅速改变某些基因表达的状态，这就是很好的基因表达调控的实验型。人们就是从研究这种现象开始，打开认识基因表达调控分子机理的窗口的。
大肠杆菌可以利用葡萄糖、乳糖、麦芽糖、阿拉伯糖等作为碳源而生长繁殖。当培养基中有葡萄糖和乳糖时，细菌优先使用葡萄糖，当葡萄糖耗尽，细菌停止生长，经过短时间的适应，就能利用乳糖，细菌继续呈指数式繁殖增长(图19－1)。说明酶可以诱导。
在不含乳糖及β-半乳糖苷的培养基中，lac+基因型每个大肠杆功细胞内大约只有1-2个酶分子。如果在培养基中加入乳糖，酶的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。当有乳糖供应时，在无葡萄糖培养基中生长的lac+细菌中将同时合成β-半乳糖苷酶和透过酶，如图。用32P标记，结果表明培养基中加入乳糖1-2min后，编码β-半乳糖苷酶和透过酶的lac mRNA量就迅速增加。去掉乳糖后，lac mRNA量立即下降到几乎无法检测到，表明乳糖确实能激发lac RNA的合成。
事实上，研究诱导作用时很少使用乳糖，因为培养基中的乳糖会被诱导合成的β-半乳糖苷酶所催化降解，从而使其浓度不断发生变化。实验中通常使用乳糖类似物：异丙基硫基半乳糖苷（IPTG）、琉甲基半乳糖苷（TMC）和O-硝基半乳糖苷（ONPG）。它们都是高效诱导物，因为它们都不是半乳糖苷酶的底物，所以又称为安慰性诱导物（gratuitous inducer）。
为了证明诱导物的作用是诱导新合成酶而不是将已存在于细胞中的酶前体物转化成有活性的酶，把大肠杆菌细胞放在加有放射性35S标记的氨基酸但没有任何半乳糖诱导物的培养基中繁殖几代，然后再将这些带有放射活性的细菌转移到不含35S、无放射性的培养基中，随着培养基中诱导物的加入，β-半乳糖苷酶便开始合成。分离β-半乳糖苷酶，发现这种酶无35S标记。说明酶的合成不是由前体转化而来的，而是加入诱导物后新合成的。
操纵子模型的提出
—莫洛(Monod)和雅各布(Jacob)获1965年诺贝尔生理学和医学奖1940年， Monod发现：细菌在含葡萄糖和乳糖的培养基上生长时，细菌先利用葡萄糖，葡萄糖用完后，才利用乳糖；在糖源转变期，细菌的生长会出现停顿。即产生“二次生长曲线”。
1947年，报告：“酶的适应现象及其在细胞分化中的意义”。1951年，Monod与Jacob合作。发现两对基因：Z基因：与合成β-半乳糖苷酶有关；I基因：决定细胞对诱导物的反应。
Szilard：I基因决定阻遏物的合成，当阻遏物存在时，酶无法合成，只有有诱导物存在，才能去掉该阻遏物。
Jacob：结构基因旁有开关基因（即操纵基因），阻遏物通过与开关基因的结合，控制结构基因的表达。
2结构
大肠杆菌的乳糖操纵子含Z、Y及A三个结构基因，分别编码β-半乳糖苷酶、透酶、乙酰基转移酶，此外还有一个操纵序列O、一个启动序列P及一个调节基因Ⅰ。Ⅰ基因编码一种阻遏蛋白，后者与O序列结合，使操纵子受阻遏而处于转录失活状态。在启动序列P上游还有一个分解（代谢）物基因激活蛋白CAP结合位点，由P序列、O序列和CAP结合位点共同构成LAC操纵子的调控区，三个酶的编码基因即由同一调控区调节，实现基因产物的协调表达。
A P-O区
P区是从I基因结束到mRNA转录开始点为止，而O区的范围是抑制物结合区。mRNA是从第85对碱基开始的，所以P区共84个碱基，抑制物结合区从78－112，共35对碱基，和P区有7个碱基的重复。使这段序列可能无法同时结合RNA聚合酶和阻遏蛋白，也可能虽然可以同时结合，但无法形成开放的转录起始复合物。
P-O区碱基对的命序，是从mRNA起始的第一个核苷酸为＋1与转录方向一致的为正，与转录方向相反的为负。所以P区从－84到－1，抑制物保护区是－7到28。
B阻遏蛋白的负性调节
　　当大肠杆菌在没有乳糖的环境中生存时，1ac操纵元处于阻遏状态。i基因在其自身的启动子Pi控制下，低水平、组成性表达产生阻遏蛋白R，每个细胞中仅维持约10个分子的阻遏蛋白。R以四聚体形式与操纵子O结合，阻碍了RNA聚合酶与启动子P1ac的结合，阻止了基因的转录起动。R的阻遏作用不是绝对的，R与O偶尔解离，使细胞中还有极低水平的β－半乳糖苷酶及透过酶的生成。
当有乳糖存在时，乳糖受β－半乳糖苷酶的催化转变为别乳糖，与R结合，使R构象变化，R四聚体解聚成单体，失去与O的亲和力，与O解离，基因转录开放，β－半乳糖苷酶在细胞内的含量可增加1000倍。这就是乳糖对1ac操纵元的诱导作用。
一些化学合成的乳糖类似物，不受β－半乳糖苷酶的催化分解，却也能与R特异性结合，使R构象变化，诱导1ac操纵元的开放。例如异丙基硫代半乳糖苷(isopropylthiogalactoside, IPTG)就是很强的诱导剂，不被细胞代谢而十分稳定。X－gal(5－溴－4－氯－3－吲哚－β－半乳糖苷)也是一种人工化学合成的半乳糖苷，可被β－半乳糖苷酶水解产生兰色化合物，因此可以用作β－半乳糖苷酶活性的指示剂。IPTG和X_gal都被广泛应用在分子生物学和基因工程的工作中。
　　C.CAP的正性调节
　　细菌中的cAMP含量与葡萄糖的分解代谢有关，当细菌利用葡萄糖分解供给能量时，cAMP生成少而分解多，cAMP含量低；相反，当环境中无葡萄糖可供利用时，cAMP含量就升高。细菌中有一种能与cAMP特异结合的cAMP受体蛋白CRP(cAMP receptor protein)，当CRP未与cAMP结合时它是没有活性的，当cAMP浓度升高时，CRP与cAMP结合并发生空间构象的变化而活化，称为CAP(CRPcAMP activated protein)，能以二聚体的方式与特定的DNA序列结合。
在1ac操纵元的启动子P1ac上游端有一段与Plac部分重叠的序列，能与CAP特异结合，称为CAP结合位点(CAP binding site)。CAP与这段序列结合时，可增强RNA聚合酶的转录活性，使转录提高50倍。相反，当有葡萄糖可供分解利用时，cAMP浓度降低，CRP不能被活化，1ac操纵元的结构基因表达下降。
由于P1ac是弱启动子，单纯因乳糖的存在发生去阻遏使1ac操纵元转录开放，还不能使细胞很好利用乳糖，必须同时有CAP来加强转录活性，细菌才能合成足够的酶来利用乳糖。1ac操纵元的强诱导既需要有乳糖的存在，又需要没有葡萄糖可供利用。通过这种机制，细菌优先利用环境中的葡萄糖，只有无葡萄糖而又有乳糖时，细菌才去充分利用乳糖。
细菌对葡萄糖以外的其他糖(如阿拉伯糖、半乳糖、麦芽糖等)的利用上也有类似对乳糖利的情况，在含有编码利用阿拉伯糖的酶类基因群的阿拉伯糖操纵元(ara operon)、半乳糖操纵元(gal operon)中也有CAP结合位点，CAP也起类似的正性调控作用。所以CAP的通用名称是分解代谢基因激活蛋白(catabolic gene activator protein)。
不难看出：CAP结合位点就是一种起正性调控作用的操纵子，CAP则是对转录起正性作用的控蛋白棗激活蛋白，编码CRP的基因也是一个调控基因，不过它并不在1ac操纵元的附近，CAP可以对几个操纵元都起作用。
从上所述，乳糖操纵元属于可诱导操纵元(inducible operon)，这类操纵元通常是关闭的，当受效应物作用后诱导开放转录。这类操纵元使细菌能适应环境的变化，最有效地利用环境能提供的能源底物。
（三）色氨酸操纵元
色氨酸是构成蛋白质的组分，一般的环境难以给细菌提供足够的色氨酸，细菌要生存繁殖通常需要自己经过许多步骤合成色氨酸，但是一旦环境能够提供色氨酸时，细菌就会充分利用外界的色氨酸、减少或停止合成色氨酸，以减轻自己的负担。细菌所以能做到这点是因为有色氨酸操纵元(trp operon)的调控。
1、色氨酸操纵元的结构与阻遏蛋白的负性调控
如图19-10所示，合成色氨酸所需要酶类的基因E、D、C、B、A等头尾相接串连排列组成结构基因群，受其上游的启动子Ptrp和操纵子O的调控，调控基因trpR的位置远离P-O-结构基因群，在其自身的启动子作用下，以组成性方式低水平表达分子量为47000的调控蛋白R。R并没有与O结合的活性，当环境能提供足够浓度的色氨酸时，R与色氨酸结合后构象变化而活化，就能够与O特异性亲和结合，阻遏结构基因的转录，因此这是属于一种负性调控的、可阻遏的操纵元(repressible operon)，即这操纵元通常是开放转录的，当有效应物(色氨酸为阻遏剂)作用时，则阻遏关闭转录。细菌不少生物合成系统的操纵元都属于这种类型，其调控可使细菌处在生存繁殖最经济最节省的状态。
2、衰减子的作用
在trp mRNA 5'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，研究发现，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。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。
分析前导肽序列，发现它包括起始密码子AUG和终止密码子UGA，编码了一个14个氨基酸的多肽。该多肽有一个特征，其第10位和11位有相邻的两个色氨酸密码子。正是这两个相连的色氨酸密码子（组氨酸、苯丙氨酸操纵子中都有这种现象）调控了蛋白质的合成。
前导序列中有4个富含GC片断，以两种不同的方式进行碱基配对，有时是1－2和3－4配对，有时只以2－3方式配对。
当培养基中色氨酸浓度较高时，核糖体可顺利通过两个相邻的色氨酸密码子，在4区被转录之前就到达2区，使2-3区不能配对，3-4区自由配对形成基一环终止子结构，转录被终止，trp操纵子被关闭。
当培养基中色氨酸的浓度很低时，负载有色氨酸的tRNATrp也就少，这样翻译通过两个相邻色氨酸密码子的速度就会很慢，当4区被转录完成时，核糖体才进行到1区（或停留在两个相邻的trp密码子处），这时的前导区结构是2-3配对，不形成3-4配对的终止结构，所以转录可继续进行，直到将trp操纵子中的结构基因全部转录。
3、trp弱化机制的实验依据
trpS5是温度敏感型突变株，它所编码的Trp-tRNAtrp合成酶只在30℃时有活性，42℃时无酶活性。比较野生型和突变型在42℃和30℃时，突变体的Trp操纵子与野生型一样受色氨酸浓度的调控。42℃时，突变体中Trp操纵子的表达不受色氨酸浓度的调控。
另有一个缺失前导区及D基因的突变体（trpΔLD102），该细菌在有色氨酸的培养基中仍有很高的色氨酸合成酶活性。
TrpΔED53中L不缺失（弱化子存在），trpΔLD102中L缺失（弱化子不存在），缺失前导区后的表达比有前导区的表达要高得多，充分说明trp操纵子的表达调控除阻遏作用外，还受到前导区的影响，失去了这个因素就失去了一个调控机制。
4．阻遏与弱化作用的协调
有实验证明，在不加色氨酸的培养基中，trp mRNA的合成仍然受到部分阻遏，现在一般认为，野生型细胞中同时存在着有活性和无活性的阻遏物，培养基中色氨酸浓度的变化，能够使这两种阻遏物间的平衡发生倾斜，最终做出关闭或启动trp操纵子的决定，从而维持一定的色氨酸含量。
（四）半乳糖操纵子
1. 半乳糖操纵子的结构和功能
半乳糖也是E.coli的一种碳原，它的分解要涉及三种酶的催化：半乳糖激酶（galactokinase一个），半乳糖转移酶（galactose transferase,T）和半乳糖表面异构酶（glactose epimerase ,E,）。它们催化的反应如下：
Gal+ATP----->Glu-1-p+ADP+H+
结构特点是：（1）有2个启动子：P1和P2，当有活性的CAP存在时P1启动，其-10顺序位于-12~-6，称为-10S1，转录的起始点为+1。当CAP缺乏时P2启动子启动，从-5开始转录，其-10顺序位于-17~-11，称做-10S2；（2）gal操纵子无-35顺序；（3）具有2个操纵基因OE和OI ，OE在上游，位于CAP位点之内，OI在基因gal内部；无论是OE还是OI高启动子都有一段距离，不直接毗邻。
Glu和Gal对Gal操纵子的调节
条件
表达
有Glu
有Gal
P2启动 S2开始转录gal E，组成型表达
无Gal
OE和OI 相互作用，成环，转录只进行20碱基便停止
无Glu
有Gal
P1启动,3个基因转录
无Gal
P1不启动

2、调节：
1）．当没有葡萄糖的条件下有Gal存在时，gal R（位于62ˊ）编码的阻遏物失活，CAP结合在-47~23区域，RNA Pol结合在-10S1区，CAP和RNA Pol直接相互作用，使P1顺利转录；当无Gal时Gal R结合在Gal OE上，Gal OE具有回文顺序（TT GTG TAA AC|GATTCCACTAA）供CAP结合。它离启动子有一段距离，当Gal R结合在gal OE上时不大可能像lac操纵子中lac阻遏那样去阻碍RNA Pol的结合，它阻断S1的转录可能的两种方式；或是影响到cAMP-CAP和RNA聚合酶的作用而阻断；或通过干扰cAMP-CAP与DNA的相互作用来阻断。
在Glu存在的情况下，cAMP -CAP含量少，当Gal存在，而无Gal R时，P1不能启动而P2启动，RNA聚合酶结合-10 S2顺序上，-10 S2（TATGCTA）和-10 S1（TATGGTT）顺序相似，从S2开始转录gal E而不转录另外的2个基因gal T和gal K。这是由于Gal既可以作为碳源，同时UDP-Gal又是合成细胞壁的重要前体，因此无论Glu是否存在，只要有Gal，gal E总可以得到转录。
在Glu存在的情况下，若无Gal存在，Gal R可结合在gal OE和OI上，并相互作用形成环。S2位点阻遏作用和SI的阻遏机制完全不同，在上述条件下，即使有Gal R存在，P2仍不受阻遏开始转录（组成型），但由于OI上也有Gal R的结合并且成环，故转录只进行20碱基便停止，这个过程如何发生尚不清楚。
2）cAMP-CAP的存在对P1可以激活是正调控，而对P2都是抑制，是负调控，其机制还没有搞清楚。
3） Gal R这个阻遏物对P1和P2两个启动子都是负调节，但在cAMP-CAP含量少时P2仍可转录，其机制也不清楚。
4）P1启动子与RNA Pol的亲和力远远大于P2启动子与RNA Pol的亲和力。这可以解释为什么在没有Glu，而有Gal存在时，P1转录，而P2不转录。可能二者要竞争RNA Pol，而RNA Pol 在细胞中数量是一定的，由于P1的亲和力大大超过P2，所以RNA Pol几乎都结合到P1启动子上，P1由于得不到RNA Pol故不能启动。
（五）阿拉伯糖操纵子（ara operon）
在阿拉伯糖操纵子(ara operon)中，araC蛋白既是激活子(activator)又是阻遏子(repressor)。有些阻遏子如在ara操纵子中，阻遏调节它的自己的合成(自调节作用autoregulation)。Ara调节蛋白的DNA结合位点互相之间相距很远，靠DNA的环化机制才能互相作用。远距离的DNA顺序可以通过DNA环化(DNAlooping)而靠近启动子，这种环化是通过蛋白质和蛋白质的互相作用以及蛋白质和DNA的相互作用实现的。在真核生物中，远距离调节相当普遍。因此阿拉伯糖操纵子成了真核基因表达调节的重要范例。
1.结构和功能
阿拉伯糖的代谢是由araB、araA和araD基因所编码的三种酶的催化的。其特点是：（1）AraC蛋白是双功能的，单纯的C蛋白结于araO1(-100～-144)，起到阻遏的作用；当C蛋白和诱导物Ara结合形成的复合体是Cind，， 即诱导型的C蛋白，它结合于araI区（-40～-78）使RNA Pol结合于PBAD位点（+140），转录B、A、D三个基因；（２）C蛋白结合araO1时也反馈性地阻遏了其本身的表达；（３）C蛋白的两种状态（Cind和Crep）功能不同，结合的位点也不同Cind结合于araI；Crep可结合于araO1和araO2；（４）ara操纵子的C蛋白还可以调节分散的基因araE和F，因此此转录单位也称调节子（regulon）；（５）本操纵子有两个启动子Pc和PBAD，可以双向转录；（６）Pc启动子和araO1重叠。大肠杆菌细胞能把阿拉伯糖变成5－磷酸木酮糖这个戊糖磷酸途径的中间体，因而可作为碳源利用。阿拉伯糖操纵子含有araA、araB和araD三个结构基因，分别为阿拉伯糖异构酶、核酮糖激酶和5－磷酸核酮糖差向异构酶编码。这个阿拉伯糖操纵子还包括一个含有两个调节基因(araO1和araO2)的调节位点，另一个AraC的结合位点叫araI(I，诱导物)和一个紧邻于araI的启动子(PBAD)。araC基因就在这个操纵子的附近，并且使用自己的启动子(Pc靠近araO1)以相反于araA、B、D基因的方向进行转录。一个CAP蛋白的结合位点紧挨ara操纵子的启动子，如Lac操纵子一样，ara操纵子的转录也受到CAP—cAMP调节。2. 调节机制
在这个系统中AraC蛋白的作用是复杂的（如下图）。第一，它调节它自己的生物合成。当细胞中AraC蛋白浓度超过40拷贝时，它结合于araOl阻遏自己的mRNA的转录。第二，它对araBAD既是负的调节子也是正的调节子(regulator)，它既能结合于araO2又能结合于araI。它的调节作用可以归纳成四种情况：①葡萄糖很丰富且没有阿拉伯糖的情况下，结合于araO2和结合araI的两个AraC蛋白之间互相结合，形成一个约210碱基对的一个环，在这种结构下从araBAD启动子的转录被抑制，基因araB、A、D不被转录[见下图 (b)]。②当葡萄糖不存在时(或在低水平时)而阿拉伯糖存在时，CAP—cAMP很丰富，它们结合于araI附近，而阿拉伯糖结合于araC蛋白改变了它的构象，此时DNA环被打开，结合于araI位点的AraC蛋白成为激活子，和CAP-cAMP协同诱导araBAD基因的转录[见下图(c)]③阿拉伯糖和葡萄糖都很丰富时；④阿拉伯糖和葡萄糖都不存在时，这两种情况下的操纵子动作不很清楚，但是都处于阻遏状态。阿拉伯糖操纵子是个复杂的调节系统，它能对环境的改变作出迅速的可逆的反应。
（六）DNA重排对基因表达的调节
在沙门氏菌（S.typhimrium）的鞭毛合成中，通过启动子方向的改变来调节不同鞭毛蛋白的合成。细菌是通过摆动其鞭毛来运动的，许多沙门氏菌因它们具有2个非等位基控制合成鞭毛蛋白（鞭毛蛋白的亚基）而出现两相性(diphasic)。同一菌落既可以表达为H1型[细菌处于1相(phase1)]，也可以表达为H2型[细菌处于2相（phase2）]。在细菌的分裂中有1/1000的概率会出现由一相转变为另一相，此就称为相转变（phase variation）。
负责合成两种鞭毛的基因位于不同的染色体座位。图16-23表明鞭毛蛋白的合成的循环调控。H2基因是和另一个编码H1阻遏物基因rh1紧密连锁，。这两个基因协同表达。处于2相时，在H2基因表达的同时，阻遏物基因也得到表达,且阻止了H1基因的合成；在1相时，H2基因和rh1基因都不表达，这样H1基因就进行合成。在此控制途径中，细菌的相取决于H2-rh1转录单位是否有活性。
这个转录单位的活性是由与它相邻接的一个DNA片段来控制的，此片段长995bp，两端是长14bp的反向重复序列（IRL和IRR）。H2的起始密码子在反向重复序列IRR右侧16bp处。
含有hin基因的DNA片段在IRL（左反向重复序列）和IRR（右反向重复序列）之间，其产物Hin（H segment inversion）蛋白通过反向重复序列之间的交互重组来介导整个片段的倒位（图16-24）。Hin基因突变会使倒位的频率降低为野生型的10-4。
H2-rh1转录单位的启动子位于倒位片段之中，启动和转录单位方向相同时，转录在启动子处起始，而且持续通过H2-rh1,导致2相的表达。当Hin片段倒位时启动子和转录单位方向不同，转录单位不能表达，从而导致了1相表达。
（七）RNA聚合酶转录起始对基因表达的调控
1、σ亚基的替换
在枯草杆菌（B.subtilis）中σ因子广泛地用于转录起始的调节，现知道有10种不同的因子。有的存在营养期细胞中，有的仅在噬菌体感染的特殊环境，或者从营养生长转变成孢子形成期。
在处于正常营养生长期的枯草杆菌中发现的RNA聚合酶与E.coli的α2ββˊσ的结构相似，已知σ因子的分子量为43KDa，因而以σ43或σA来表示。它所识别的启动子带有的保守顺序，与E.coli σ70识别的相似。各种不同的聚合酶含有不同的σ因子，但是数量很少。各种聚合酶识别不同启动子的-35和-10顺序。
从一套基因的转录到另一套基因的表达是噬菌体感染的共同特点。噬菌体的发育涉及到感染周期的改变。这些改变通过噬菌体编码的RNA Pol的合成来完成，或者通过噬菌体编码的控制细菌RNA聚合酶附属因子（包括新的σ种类）来完成。在枯草杆菌被噬菌体SP01感染中通过产生新的σ因子来控制的。SP01的感染周期通过基因表达的三个阶段。在感染的瞬间，噬菌体的早期基因被转录了。在4～5分钟后早期转录停了下来，中期基因又开始转录。再过8～12分钟中期基因的转录被晚期基因所取代。
早期基因被宿主菌的全酶所转录。它们不能区别宿主基因。宿主基因启动子能被RNA聚合酶α1ββˊα43所识别。
噬菌体基因的表达对于转录为中期和晚期基因的转录是必要的。有3个调节基因叫28，33和34，它们控制要转录的程序。调节的方式是一种级联调控。在级联调控中宿主的酶转录早期基因，这些基因的产物是转录中期基因所必须的。而两个中期基因编码的产物又是晚期转录所必须的。
早期基因28的突变体不能转录中期基因，基因28的产物（称为gp28）是分子量26KDa的蛋白，它取代核心酶上的σ因子。
这种替代对从早期基因的表达转为中期基因表达是必要的。它形成的全酶不再能转录宿主的基因，而能特异转录中期的基因。现在还不清楚gp28怎样取代σ43，或者宿主的σ多肽究竟发生了什么情况。
两个中期基因涉及到一下步的转录。无论是基因33还是34若发生突变将会阻止晚期基因的转录。这些基因的产物是13KDa和24KDa的蛋白，它们取代了核心的酶上的gp28，现在也还不知道gp33和gp34怎样排除gp28的（或者排除任何残余的宿主σ43），但它们一旦结合到核心酶上，它们就只能在晚期启动子上起始转录。
σ因子的相继的取代具有双重的后果，每次亚基的改变使RNA聚合酶能够识别一组新的基因，而不再识别先前的基因。由于σ因子的转换使RNA聚合酶的活性全部发生了改变。可能所有的核心酶都是短暂地和不同的σ因子结合，但这种变化的程序是不可逆的。
几乎大部分σ因子转换的例子都发生在孢子形成（sporulation）中。不同生活途径的选择对某些微生物来说是有利的，在营养期（vegetative phase）来说，对数生长可导致培养基中营养物质的耗尽。此引发了孢子形成；它包括以下几个阶段：（1）DNA复制；（2）在细胞的一端基因组被分离；（3）分离的基因组外包上一层子外壳。在孢子形成的第二阶段，细胞产生了两个独立的被分隔的部分，这就是母细胞和前孢子（forespore）。这个过程约花8小时，它可以被看成为是一种原始的分化类型。在这种类型中，现代细胞产生两种发育命运不同的子细胞，一个是母细胞，一个是前孢子，当前孢子被释放时，母细胞最终被裂解，孢子的结构完全不同于原来的细菌。
孢子的形成涉及到细菌生物合成活性的剧烈的变化。这些变化和很多基因有关。基本的调控仍在转录水平。在孢子形成时，一些营养期行使功能的基因被关闭了，但大部分仍继续表达。另外孢子形成的特异基因仅在这一阶段表达。在孢子形成结束时约有40% 的细菌mRNA对孢子形成是特异的。
形成的RNA聚合酶在孢子形成的细胞中成为活性状态，它们含有的核心酶和营养细胞中的是相同的。但附属蛋白却不同于营养细胞的σ43。这种转录的特异性改变。其原理是在每一间隔中存在着σ因子连续地被新的因子所决代，导致了不同组基因的转录。为了协调前孢子和母细胞中转录的时间，必须沟通这两个部分。
当外界环境条件能触发“磷酸化传递”时，孢子形成的级联调节就起始了。在磷酸化传递中一个磷酸基沿着各种蛋白传递，直至到达SpoOA（各种基因的产物涉及此过程，这种复杂性可能反应在触发孢子形成中需要避免发生错误）。 SpoOA是一种转录调节物，其活性受磷酸化的作用。在磷酸化状态时，它激活两个操纵子转录。而每个操纵子的转录是由不同于宿主的RNA聚合酶催化的。在磷酸化SpoOA的指导下，宿主酶利用了一般的σ43来转录编码σF的基因。而宿主酶在较小的因子σH的直接指导下转录录编码σE的基因，在中隔形成前，这两种新的σ因子产生了。但到晚些时候才被活化。
σF只有在前孢子的间隔部分才有活性，而在母细胞中它的作用却被抑制了。在孢子形成的开始，在前孢子中σ45被σF取代了。在σF的指导下，RNA聚合酶转录第一套取代了营养期基因的孢子形成基因。营养期基因是先前转录的。这种取代反应可能仅存在于RNA聚合酶的群体中。由于σF产生量很少，因此某此营养酶仍保留存在于孢子形成时。被取代的σ45并未破坏，从孢子形成的细胞中的抽提液中σ45仍可得到恢复。通过两种调节事体才使σF激活。在前孢子中有一种σ因子：σG，它是早期孢子形成基因的产物，它使RNA聚合酶在前孢子中转录晚期基因。另一种早期孢子形成基因的产物只负责与母细胞间隔进行沟通。一种信号（通过间隔的蛋白膜）的传递来激活σE，σE在先前就已合成了前体的形式（pro-σE），它被剪切后才有活性。
当σE依次导致σK基因转录时，上述级联调控仍在继续。σK活性的产生是十分复杂的，首先它的基因需要通过重组才能产生。这个因子也是作为一种无活性的前体蛋白（pro-σK）被合成的。它是被一种蛋白酶所激活，一旦σK有了活性，它就取代σE以及导致了母细胞中晚期基因的转录。这些事件在母细胞和前孢子两部分的定时是由一些信号协调的。在前孢子中σG的激活是依赖于母细胞中发生的一些事件。依次激活σG是可以产生一种信号，这种信号穿越过间隔去激活σK。
孢子形成是由两种级联调控控制的，在级联调控中每一间隔部分的σ都相继被激活，每个σ因子指导一套特殊的基因合成蛋白质。这两种级联调控通过一种信号从一个间隔部分传递到另一个间隔部分来彼此沟通协调。当一种新的σ因子被激活，原来的σ因子被取代，这样通过转移σ因子来打开基因或关闭基因。各种因子结合成RNA聚合酶指挥一套靶基因表达。这些因子的量有效地影响基因表达的水平。在任何时候都有一个以上的σ因子被激活。某些σ因子的特异性是重叠的。现在还不清楚为什么每个一个σ因子能替换前一个σ因子。
2、修饰核心酶替换σ亚基
T4噬菌体蛋白质合成的时序调节采用了与E.coli及枯草杆菌不同的策略,那就依赖本身携带的蛋白对宿主的核心酶加以修饰,改变其和σ亚基的结合能力,乘机将本身编码的蛋白取代原来的σ亚基,从而改变RNA聚合酶的识别能力。
T4噬菌体在生活周期的不同阶段合成不同的mRNA。其主要的两类是早期mRNA和晚期的mRNA。早期转录的有很多基因，它们编码有关DNA合成、RNA的转录调控、重组等的酶；晚期转录的是一些编码噬菌体结构蛋白，粒子装配以及裂解宿主等的基因。
T4感染伊始是利用宿主的RNA聚合酶转录第一批早期mRNA；T4的头部含有几种小分子蛋白，称为内部蛋白。当T4感染不久，这些蛋白伴随着DNA一道注入到细菌中，其中有一种转换蛋白是ADP-核糖转移酶（ADPRT），它可将ADP-核糖（ADPR）连接到宿主RNA聚合酶的α亚基上的精氨酸胍基上使其被修饰，加入一个以上的ADPR，从而降低了RNA核心酶与σ因子的结合能力，而增加了其与T4噬菌体编码的蛋白Mot的亲和力，这样Mot蛋白取代了σ亚基，使新的RNA聚合酶不再识别寄主的基因和T4早期基因的启动子。而能识别下一批基因的启动子。到转录晚期同时，RNA聚合酶被进一步地修饰，其两个α亚基各结合了一个ADPR分子及4个修饰性蛋白。有时称其为超修饰（hupermodified）的RNA聚合酶。即使如此加工仍不能转录晚期基因，要等到DNA复制时才能转录，形成了一种程序化的控制。实际上直到复制达到一定阶段才需要晚期基因编码的产物。至于复制时晚期转录的调控机理还不清楚，可能改变了晚期基因的构象，使其易于转录启动。
3、RNA聚合酶的代换
T7噬菌体在转录的时序调控中不是采用σ因子的级联取代,也不是像T4噬菌体那样对核心酶进行修饰,而是根据自动的感染特点采用了RNA聚合酶的代换来进行时序转录的调控。
T7是E.coli的烈性噬菌体，基因组长为39,936nt，顺序已知。整个基因组可能具有55个基因，其中44个基因的产物已鉴别出了，已知30种是有功能的转录可分为3组，30°C整个生活周期约为25¢分钟，但其