乳糖操纵子简介

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。

乳糖操纵子
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，能结合于操纵序列位点。

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),产生阻遏物(repressor)。

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。

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
始终存在着一定的比例关系( Z : Y : A = 5 : 2 : 1 )
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位点上。

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)
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）
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。

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。

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。

乳糖操纵子的CAP正调控（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, 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）
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
ATP →→cAMP →→5’AMP
CRP（非活性状态）→→CAP（活性状态）
无葡萄糖，cAMP浓度高时促进转录, 有葡萄糖，cAMP浓度低时不促进转录葡萄糖效应：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。

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。

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。

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
本底表达
在细胞中透性酶等总是以最低量存在着，足以供给底物开始进入时的需要。

也就是说，操纵子有一个本底水平（basal level）的表达，即使没有诱导物的存在，也保持此表达水平（诱导水平的%）；有的诱导物是通过其他吸收系统进入细胞的。

小结
Lac操纵子基因表达受阻遏蛋白和CAP的双重调控。

lac操纵子中的一组基因有两道控制开关，只有两道开关同时打开时，即满足缺乏葡萄糖并存在乳糖条件时，基因才能够转录。

2012年3月1日。