典型乳糖操纵子的诱导原理

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乳糖操纵子的结构和功能
▪ 当一个mRNA含有编码一个以上蛋白质的编码信息，而且 这些蛋白质都是以独立的多肽被翻译时，这样的mRNA称 之多顺反子mRNA。
▪ 多顺反子mRNA在细菌中是很普遍的。
▪ 多顺反子lac mRNA中的lacZ，lacY，lacA经翻译生成的 产物分别生成代谢分解乳糖的三种酶
ATP → →cAMP → →5’AMP
CRP（非活性状态） → →CAP（活性状态）
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乳糖操纵子的CAP正调控
（Positive Control of CAP）
+ + + + 转录
DNA
CAP P O Z Y A
CAP CAP CAP CAP 无葡萄糖，cAMP浓度高时 促进转录
操纵子（operon)：很多功能相关的结构基因串联排列在染色体
上，由一个共同的控制区来操纵这些基因的表达，包含这些结构基
因和控制区的整个核苷酸序列就称为操纵子。
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乳糖操纵子的结构和功能
操纵子的组成： ▪ ----结构基因(structural gene, SG) ：操纵元中被调控的编码蛋白质的
（Positive Control of CAP）
▪ CAP(catabolite activator protein)
----分解代谢基因激活蛋白
又称为 CRP (cAMP receptor protein),
lac operon高水平转录必需的一个激活蛋白。
▪ CAP(同二聚体),含
DNA结合区 →以二聚体的方式与特定的DNA 序列结合
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2
基因的表达方式
根据生物对内外环境刺激的反应，将 基因表达的方式分为：
组成型表达 诱导和阻遏表达
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组成型表达 （constitutive gene expression）
在个体发育的任一阶段都能
在大多数细胞中持续进行的基因 表达，无论表达的水平高或低，它 受环境因素的影响较少、或变化很 小。 且基因表达产物通常是对生
Hey man, I’m constitutive
Come on, let me through
Repressor
CAP
Binding
PrRomNoAter
Operator
LacZ
Pol. Repressor
LacY
LacA
Repressor mRNA
No way!
Repressor
CAP
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▪ 有乳糖(presence of lactose)：lac操 纵元即可被诱导 (derepression,induction)
▪ 诱导剂(inducer): 别乳糖、半乳糖、 IPTG（异丙基硫代半乳糖苷）
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The Lac Operon:
When Glucose Is Present But Not Lactose
命过程必需的、必不可少的，这 类基因通常被称为持家基因 （housekeeping gene）。
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4
诱导和阻遏表达
➢ 诱导（induction）：在特定的环境信号刺激下，相应基因被激 活，从而使基因的表达产物增加。这类基因称为可诱导基因。
➢ 可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为诱导 (induction)。 乳糖 → 利用乳糖的三种酶表达
▪ 始终存在着一定的比例关精选系完整( pZpt课:件Y : A = 5 : 2 : 1 )
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乳糖操纵子的结构和功能
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乳糖操纵子的结构和功能
▪ lacZ、Y、A基因的转录是由lacI基因指令合成的 阻遏蛋白R所控制。lacI一般和结构基因相毗连，
但它本身具有自己的启动子和终止子，成为独立 的转录单位。
▪ 由于lacI的产物是可溶性蛋白，按照理说是无需
位于结构基因的附近。它是能够分散到各处或结
合到分散的DNA位点精选上完整。ppt课件
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阻遏蛋白的负调控
(negative control of repressor)
阻遏蛋白的负调节(negative control of repressor)
▪ 无乳糖(no lactose): lac操纵元处于阻 遏状态(repression)
▪ 葡萄糖的降解物能抑制腺苷酸环化酶活性，并活化磷酸二 脂酶，因而降低 cAMP的浓度。
▪ 所以葡萄糖存在时，cAMP浓度低；仅在葡萄糖消耗完毕时, cAMP浓度增高，CAP-cAMP 复合物形成（结合于lac operon CAP结合位点)，才会促进转录。
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乳糖操纵子的协调调控
(coordinate regulation)
▪ 由于Plac是弱启动子，单纯因乳糖的存在 发生去阻遏使lac操纵元转录开放，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。
▪ 关键条件：lac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。
CAP
cAMP
cAMP
CAP
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The Lac Operon:
When Neither Lactose Nor Glucose Is Present
Alright, I’m off to
the races . . .
Hey man, I’m
Bind to me Polymerase
乳糖操纵子的结构和功能
▪ 三个特异性序列：
▪ 操纵序列 O (operator): 阻遏蛋白结合位点。
▪ 启动子 P (promoter): 位于结构基因的上游。
▪ CAP结合位点：环cAMP受体蛋白(分解代谢物激活蛋白) 结合位点。
▪ 一个调节基因
lac I：编码阻遏蛋白，精能选完结整p合pt课于件操纵序列位点。
constitutive
Repressor
CAP
Binding
PrRomNoAter
Operator
Come on, let
me through !
LacZ LacY
CAP
Pol. Repressor
cAMP
LacA
Repressor mRNA
STOP
Right there
CAP
Polymerase
CAP
有葡萄糖，cAMP浓度低时
精选不完整促ppt课进件转录
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乳糖操纵子的CAP正调控
（Positive Control of CAP）
▪ 葡萄糖效应：当细菌在含有葡萄糖套和乳糖的培养基中生 长时，通常优先利用葡萄糖。只有当葡萄糖消耗完，经过 一段停滞期，在乳糖的诱导下半乳糖苷酶开始合成，细菌 才能充分利用乳糖。
cAMP
Repressor
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cAMP
CAP 29
Lac操纵子基因表达受阻遏蛋白和 CAP的双重调控
▪ 负调节与正调节协调合作
➢ 阻遏蛋白封闭转录时，CAP不发挥作用 ➢ 如没有CAP加强转录，即使阻遏蛋白R从P上解聚仍
无强大转录活性
☆葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌优先利用葡萄 糖
➢ 葡萄糖可降低cAMP浓度，阻碍其与CAP结合从而抑制转 录
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为什么选用IPTG作诱导物？
▪ 某些诱导物与自然的β-半乳糖苷酶相似，且不能 被酶分解，比如异丙基-β-D-硫代半乳糖苷， （isopropylthiogalactoside,IPTG）。不被细菌分 解性质稳定，它的浓度在实验中不会改变。
▪ 复杂的动力学问题，便于研究。 ▪ IPTG能在缺乏lacY基因下而有效地被运送。
基因 ▪ ----启动子(promoter，P)：是指能被RNA聚合酶识别、结合并启动基
因转录的一段DNA序列。 ▪ ----操纵基因(operator，O)：是指能被调控蛋白特异性结合的一段
DNA序列。
▪ 阻遏物基因(inhibitor,I)精,选产完生整阻ppt遏课件物(repressor)。
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➢ 阻遏（repression）：在特定环境信号刺激下，相应基因被抑制， 从而使基因的表达产物减少。这类基因称为可阻遏基因。
➢ 可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏 (repression）。
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5
协调表达
(coordinate expression)
在一定机制控制下，功能上相关的一组 基因，无论其为何种表达方式，均需协调 一致、共同表达，使各表达产物的分子比 例适当，从而正常发挥功能。这种现象称 为协调表达 (coordinate expression)，这 种调节称为协调调节 (coordinate regulation)。
Repressor
CAP
Binding
PRroNmAoter
Operator
LacZ
CAP Pol.
cAMP
Repressor mRNA
X Repressor
Repressor
Repressor
This lactose has bent me
out of shape
LacY LRacNAA Pol.
LacY
LRacNAA Pol.
Repressor Repressor
This lactose has bent me
out of shape
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乳糖操纵子的调控机理
▪
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17
乳糖操纵子诱导物
▪
是 诱 导 物
别 乳 糖
(allolactose)
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为什么选用IPTG作诱导物？
▪ 能诱导酶的合成，但又不被分解的分子,称为安慰 诱导物（gratuitous inducer）。
▪ 由于乳糖虽可诱导酶的合成，但又随之分解，产 生很多复杂的动力学问题，因此人们常用安慰诱 导物来进行各种实验。
▪ X-gal（5-溴-4-录-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。
cAMP结合区→与cAMP特异结合，并发生空
间构象的变化,形成cAMP-CAP复合物（有活性）
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乳糖操纵子的CAP正调控
（Positive Control of CAP）
当CAP与CAP结合位点这段序列结合时， 可激活RNA转录酶活性，使之提高50X
葡萄糖→ → → → →降解产物
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Lac操纵子基因表达受阻遏蛋白和 CAP的双重调控
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The Lac Operon:
When Lactose Is Present But Not Glucose
Hey man, I’m
Bind to me Polymerase
constitutive
Yeah…!
精选完整pptபைடு நூலகம்件
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乳糖操纵子的结构和功能
操纵子模型的提出
1960-1961年，莫洛(Monod)和雅各布(Jacob)首次提出“操纵子” 学说。
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”。
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为什么选用IPTG作诱导物？
乳糖（葡萄糖-β-1，4-D-半乳糖苷）
• 半乳糖苷键中用硫代替了氧，失去了水解活性，
但硫代半乳糖苷和同源的氧代化合物与酶位点
的亲和力相同，IPTG虽不为β-半乳糖苷酶所识
别，但它是lac基因簇十分有效的诱导物。
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乳糖操纵子的CAP正调控
乳糖操纵子的诱导原理
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1
中心法则(the central dogma)
RNA
复 制
复 制
转 录
DNA
RNA 翻 译
逆 转 录
蛋 白 质
基因表达(gene expression)--基因转录及翻译的过程。产生各 种RNA(tRNA、mRNA、rRNA)和各种蛋白质多肽链。
RNA(tRNA、mRNA和rRNA
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乳糖操纵子的结构和功能
结构基因
• 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。
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The Lac Operon:
When Lactose Is Present But Not Glucose
Hey man, I’m constitutive
Yeah…!
Repressor
CAP
Binding
PRroNmAoter
Operator
LacZ
Pol.
Repressor mRNA
X Repressor