乳糖操纵子lacoperon

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组成型突变： lacOc
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组成型突变： lacI-
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二 色氨酸操纵子
(一) 色氨酸操纵子的结构与功能 (二) 色氨酸操纵子的阻遏调节系统 （三）色氨酸操纵子的弱化机制
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(一) 色氨酸操纵子的结构与功能
1．色氨酸操纵子模型： 由雅各布（Jacob F.）和莫诺（Monod J.）
(Catabolite Activator Protein site)
CAP 变构
CAP变构激活
CAP: 代谢物激活蛋白 目 录
(三)乳糖操纵子调控区的突变效应
已经分离在有诱导物或没有诱导物的情况 下都能产生lacmRNA的突变体，这种失去 调节能力的突变体称为永久型突变体，为 分两类：I型和O型。 I型：野生型为I+，突变型为IO型：野生型为O+，突变型为Oc。
原核生物调控
操纵子是原核生物转录调控的主要形式
操纵子：是基因表达的协调单位， 由启动子、操纵基因及其所控制的一组 功能上相关的结构基因所组成。操纵基 因受调节基因产物的控制。
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原核生物 —— 操纵子(operon)
启动子 (promoter)
结构基因
调节基因
操纵基因 (operator)
(1)结构基因:产生mRNA并作为模板合成蛋白质
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Trp 操纵子----产物阻遏常规酶的合成
调节基因
操纵基因
结构基因
阻遏蛋白
酶代谢产物一旦大量积累
阻遏蛋白不能与操纵基因结合，所以结构基因表达。 阻遏蛋白被产物激活，结构基因不表达。
mRNA 酶蛋白
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二 色氨酸操纵子的阻遏调节系统
调节区
trpR RNA聚P合酶O
RNA聚合酶
Trp 低时
结构基因
菌首先利用葡萄糖。
葡萄糖对 lac 操纵子的阻遏作用称分解代 谢阻遏(catabolic repression)。
低乳糖时
葡萄糖低 cAMP浓度高
O
葡萄糖高 cAMP浓度低
O
高乳糖时
RNA-pol
O
mRNA
O
乳糖操纵子的工作原理总结：1.负调控方式
乳糖操纵子（Lac Operon）
阻遏状态
调控区
操纵子
调控区
结构基因
阻遏物 启动子 操纵基因 结构基因1，2，3...
基因
辅阻遏
两 种
诱 导
方型
阻诱遏蛋 导白 物
变构
阻 遏 型
物 无活性的 阻遏蛋白
变构
式 阻遏蛋白变构失活 乳糖操纵子为代表
阻遏蛋白变构激活 色氨酸操纵子为代表
一. 乳糖操纵子
（一）乳糖操纵子的结构与功能 （二）乳糖操纵子的负调控和正调控 （三）乳糖操纵子调控区的突变效应
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色氨酸操纵子模型结构： 5种结构基因：trpE、D、C、B、A； 调控结构：启动子、操纵子、前导序列、
弱化子； 阻遏物trpR基因：与trp操纵子相距较远；
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分支酸 → 邻氨基苯甲酸 → 磷酸核糖基 → CDRP → 吲哚甘油-磷酸 → 色氨酸 邻氨基苯甲酸
邻氨基苯甲酸合成酶
吲哚甘油 硼酸合成酶
Francois Jacob(1920-)
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乳糖操纵子学说的主要内容
① Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子 的mRNA分子所编码
Z编码β-半乳糖苷酶：将乳糖水解成葡萄糖 和半乳糖
Y编码β-半乳糖苷透过酶：使外界的β-半乳 糖苷（如乳糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原 生质膜进入细胞内。
A编码β-半乳糖苷乙酰基转移酶：乙酰辅酶 A上的乙酰基转到β-半乳糖苷上，形成乙酰 半乳糖。
mRNA
Trp 高时
Trp
色氨酸操纵子
⑵. 弱化子调控： 当有色氨酸存在而trp操纵子受
抑制时，仍有一段前导序列发生转 录，可能存在另一种的机制来抑制 trp操纵元的转录。
色氨酸高浓度存在时，转录的 前导序列162bp长，其中有一 28bp的弱化子区域；形成发夹结 构，为内部终止子，RNA酶从 DNA上脱落，不能转录；
色氨酸合成酶
β链
α链
60，000 60，000
4 5，000 50，000 29，000
POl a
trpE
trpD
P
trpC
trpB
trpA
t
t’
1560
1620
1353
1191
804 36
P：起动子；O：操纵子； l：前导序列； a：衰减子； t,t’ ：终止子 图 16-15 E.coli trpO 的结构及其产物所催化的色氨酸合成反应
诱导：基因被打开
β -半乳糖苷酶
透性酶 乙酰转移酶
图 16-7 诱导物和阻遏物成为调节操纵子的开关
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大肠杆菌乳糖酶诱导合成---调节基因产物对转录的调控
半乳糖苷转乙酰酶 半乳糖苷酶 半乳糖苷透性酶
调节基因
操纵基因
乳糖酶基因
结构基因
阻遏蛋白
诱导物（乳糖）
操纵基因——基因合成的开关 关——阻遏蛋白阻挡操纵基因，结构基因不表达 开——诱导物阻止阻遏蛋白功能发挥。
色氨酸低浓度或不存在时， RNA聚合酶能通过弱化子区域，转 录完整的多顺反子mRNA序列； 目 录
（三）色氨酸操纵子的弱化机制
前导序列可翻译出一段14个氨基酸的短肽， 在该短肽的第10、11位置上是两个色氨酸密 码子；两个密码子之后是一段mRNA序列， 该序列可分为四个区段，区段间可互补配对， 形成不同的二级结构。
(2)调节基因:产生阻遏蛋白(或激活蛋白)与操纵基因 结合,阻碍(或开启)结构基因表达
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操纵子(operon)的结构与功能
操纵子
调控区
结构基因
I
Pபைடு நூலகம்
O
S1
S2
S3
?
阻遏物基因 启动子 操纵基因
Inhibitor gene
Promoter Operator gene
结构基因1，2，3...
Structure gene
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② 这个mRNA分子的启动子紧接着O区， 而位于I与O之间的启动子区（P）。
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③当阻遏物与操纵基因结合时，lac mRNA的转录起始受到抑制。
未诱导：结构基因被阻遏
阻遏物 四聚体
LacI
PO
lacZ
lacY
lacA
图 16- 当无诱导物时阻遏物结合在操纵基因上
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④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lac mRNA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。
提出，具有合成代谢途径典型的操纵子模型。 操纵子：包括色氨酸合成有关的5种酶的结
构基因； 大量色氨酸时：大肠杆菌5种酶的转录同时
受到抑制； 色氨酸不足时：这５种酶的基因开始转录； 色氨酸：作为阻遏物而不是诱导物参与调控
结构基因的转录。 ∴ trp操纵子是一个典型的可阻遏操纵子模
型(repressible operon)。
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I+→I-或O+→Oc后，Z、Y、A结构基因均 表现为永久表达，所以I基因被称为调节基 因(regulatory gene)。研究发现，I基因是一 个产生阻遏物的调节基因，其产物使体系 关闭。I-突变体由于不能产生阻遏物，使细 胞成为lac永久表达型。I-/I+局部二倍体由 于带有一个正常阻遏物，使细胞中的lac仍 然被抑制。
目录
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trpR
前导mRNA
调节区
PO 前导序列
1
2
表达阻 结合RNA 结合 遏蛋白 聚合酶 阻遏蛋白
表达功能蛋白
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RNA聚合酶结合部位
5 3
结构基因
3 5
5
3
-50 -40 -30 -20 -10 + 1 +10
-35 区
TTGACA AAC T G T
σ识别位点 (recognition site)
开始转录 -10 区
T A T A A T Pu A T A T T A Py
(Pribnow box)
(3)原核生物启动子保守序列
3 5
目录
(4)操纵基因 ——阻遏蛋白(repressor)的结合位点 当操纵序列结合有阻遏蛋白时，会阻碍
RNA聚合酶与启动序列的结合，或是RNA聚合 酶不能沿DNA向前移动 ，阻碍转录。
启动po序l 列 操阻纵遏序蛋白列 编码序列
目录
操纵子的调控方式总结
目录
（二） 乳糖操纵子的正、负调控
Pi启动基因
+ cAMP
RNA聚合酶进入位点
cAMP
Pi I
P
O ZYA
调节基因
启动基因 操纵基因 结 构 基 因
CAP结合位点
CAP的正调节作用
-半乳糖苷酶 透性酶
乙酰基转移酶
catabolite activator protein
CRP: cAMP receptor protein
Leader peptide
夹结构 / 富含 C G
U 的单链末端 C G
Aaaaaa C G
Met Lys Aly Ile Phe Val Leu Lys Gly Trp Trp Arg Thr Ser A
GC
CG
A
CG
UU
AA
图 16-28 trp 操纵子含有 5 个结构基因和 1 个控制区。控制区由启动子、操纵基因、前导顺序和衰减 构成。前导区编码 14 个氨基酸，其中有 2 个是色氨酸。(仿 B.Lewin:《GENES》Ⅵ,1997, Fig .1目2.3录8)
结构基因
I
P 阻遏O蛋白 Z
Y
A
不能 表达
阻遏物基因 启动子 操纵基因 分解代谢乳糖的三种酶基因
Z:β-半乳糖苷酶
Y:乳糖穿透酶
阻遏蛋白
A:转乙酰基酶
变构
阻遏乳糖蛋白
表达
诱导状态
阻遏蛋白变构失活 目 录
乳糖操纵子的工作原理总结:2. 正调控
乳糖操纵子
CAP
调控区
P
O
Z
结构基因
Y
A
CAP位点 启动子 操纵基因 分解代谢乳糖的三种酶基因
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①. 当有色氨酸时，完整翻译短
肽 核糖体停留在终止密码
子处，邻近区段2位置 阻碍
了2,3配对 使3, 4区段配对
形成发夹结构终止子
RNA
酶在弱化子处终止，不能向前
移动。
目录
目录
②.如缺乏色氨酸，核糖体到达 色氨酸密码子时 由于没有色 氨酰tRNA的供应 停留在该 密码子位置，位于区段1 使 区段2与区段3配对 区段4无 对应序列配对呈单链状态 RNA聚合酶通过弱化子，继续 向前移动，转录出完整的多顺 反子序列。
原核生物为边转录边翻译，前导序列中核糖 体位置决定形成哪种二级结构,从而决定弱化 子是否可形成终止信号。
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邻氨基苯 吲哚甘油 色氨酸合成酶 甲酸合成酶 硼酸合成酶
TrpE terpD trpC trpB trpA t t’
启动子 操纵基因 前导顺序 衰减子
pppN26AUGAAAGCAAUUUUCGUACUGAAGGUUGGUGGCGCACUUCCUGAN43A UUUUUUUU 富含 G-C 的发 G C
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背景介绍：
大肠杆菌通常利用葡萄糖作为碳源，通常情况下环 境中乳糖极少，降解乳糖的酶不被合成，其实 质是乳糖降解酶基因不表达。
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1961年由莫诺（Monod,J.法)和雅各布 (Jacob,F.法)提出，用来阐述大肠杆菌乳糖
代谢中基因表达的调控机制。
Jacquces Monod(1910-67)
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（2）CAP的正性调节
+ + + + 转录
DNA
CAP P O Z Y A
CAP CAP CAP CAP 无葡萄糖，cAMP浓度高时
CAP
有葡萄糖，cAMP浓度低时
协调调节
※当阻遏蛋白封闭转录时，CAP不发挥作用； ※如无CAP存在，即使无阻遏蛋白与操纵序列
结合，操纵子仍无转录活性。 单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源； 若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细
mRNA 酶蛋白
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（一）乳糖操纵子(lac operon)的结构与功能
调控区
结构基因
DNA
P OZ Y A
操纵序列 启动序列 CAP结合位点
Z： β-半乳糖苷酶 Y： 透酶 A：乙酰基转移酶
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酶的诱导——lac体系受调控的证据
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乳糖在透酶催化、转运进入细胞，再经-半乳糖苷酶催化，转变成 别乳糖。
特点:
(1) trpR和trpABCDE不连锁；
(2) 操纵基因在启动子内； (3) 有衰减子(attenuator)/弱化子； (4) 启动子和结构基因不直接相连，二者被
前导序列(Leader)所隔开 。
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2.色氨酸操纵子的负调控：
⑴. 阻遏调控： trpR基因编码无辅基阻遏物 与色氨 酸结合 形成有活性的色氨酸阻遏物 与 操作子结合 阻止转录； 色氨酸不足：阻遏物三维空间结构发生 变化 ，不能与操作子结合，操纵元开始转录； 色氨酸浓度升高：色氨酸与阻遏物结合， 空间结构发生变化，可与操作子结合，阻止 转录。
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别乳糖是lac 的诱导物
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安慰诱导物： 如果某种物质能够促使细菌产生酶而本身 又不被分解，这种物质被称为安慰诱导 物，如IPTG（异丙基- β –D-硫代半乳糖 苷）； TMG（巯甲基半乳糖苷）； ONPG（ O-硝基半乳糖苷）。
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细菌的二次生长曲线(葡萄糖效应,代谢 物阻遏效应)