遗传学经典基因表达调控

培养中C源不是乳糖时，三种酶在细胞内的含 量很低，只有几个分子或不到。
如果用乳糖代替葡萄糖，则在几分钟内，每个 cell转录出30-50个mRNA模板，产生3000多个β-半乳 糖苷酶分子，另两种酶的量也迅速增加，一旦乳糖 耗尽，三种酶的合成同时停止。
这里，乳糖被当作诱导物，并被β-半乳糖苷酶 催化分解，一些不能被该酶分解的半乳糖苷也可作 为诱导物，如IPTG （异丙基-β-D-硫代半乳糖苷）
特定细胞的功 能和属性。
蛋白质的类型， 蛋白质的数量。
细菌的乳糖代谢——乳糖操纵子 一、酶的诱导与阻遏
1900年，Dienert首次注意到酶的诱导 作用，在酵母细胞的培养中，存在乳糖 时，细胞产生与乳糖利用有关的酶；把 细胞转移到含葡萄糖的培养基，这种酶 即消失.
结论：底物的存在能专一地诱导酶的 产生。
一个操纵子转录后形成一个多顺反子 mRNA(polycistronic)。
对模型的遗传学验证
组成型突变（constitutive mutants） 没有乳糖，代谢酶照样合成（不需要诱导）。
遗传作图发现：
这种突变（lacOc）的基因紧密连锁在 结构基因的上游（operator region）。 另一个组成型突变（lacI-）作图的结果 是在离结构基因不远处。
从1946年起及随后的10年，Jacques Monod、Joshua Lederberg、Francois Jacob以及Andre Lwoff 对乳糖代谢的遗传 学和生物化学进行了系统的研究。
E.coli能以乳糖（葡萄糖-4-β-D-半乳糖苷）这 种双糖作为唯一碳源。
乳糖进入细胞后被分解为半乳糖和葡萄糖.
编码-半乳糖苷酶（-galactosidase） 四聚体，分解乳糖。
乳糖
半乳糖+葡萄糖
-半乳糖苷酶
பைடு நூலகம்lacY：
编码-半乳糖苷透性酶（permeasae）。 膜蛋白，将乳糖转运到细胞中。
lacA：
编码-半乳糖苷乙酰转移酶 （transacetylase）。二聚体; 把乙酰 辅酶A上的乙酰基转移到-半乳糖苷 上。
当培养基中有乳糖（lactose），而无 葡萄糖时，细菌中专门代谢乳糖的酶类就 迅速增加。
乳糖（lactose）既是底物（substrate） 又起到了诱导物（inducer）的作用。
1953年Monod发现酶的阻遏作用 大肠杆菌培养基中的色氨酸阻遏了色氨
酸合成酶的合成.
同等诱导或同等阻遏:大肠杆菌合成色氨酸所 需的酶，5个编码基因串联在一起，而且排列 顺序也跟基因产物所催化的反应顺序相同。这 种成串现象由Demerec等人于1955年首先观察 到。
第十二章 原核生物基因表达的调控
本章学时数：3学时 本章重点：乳糖操纵子模型
何谓表达？
表达涉及两个环节：转录、翻译. 基因工程中“高表达” high level expression， 即高的蛋白质产量。
基因的表达是受到调节控制的： 经济性 安全性 有序性
哪些基因被转录， 转录的效率如何。
mRNA类型， mRNA数量。
野 生 型
启动子：由两个盒组成，以转录起始点为+1，-35的 TTGACA盒是RNA聚合酶的识别位点，-10的TATAAT盒 （Pribnow盒），是RNA聚合酶的结合位点。
这样，操纵子的概念：最初的操纵子=操纵基因+结构 基因，进一步成为
操纵子包括：启动基因+操纵基因+结构基因。
操纵子（operon）: 功能相关的结构基因在染 色体上成簇（cluster）排列, 由一个共同的控制区 调控基因的转录,是原核生物转录调控的基本单位. 由结构基因（structural genes）和上游相邻的控制 区（regulatory region）组成。
IPTG有诱导效应而本身不被分解，称为安慰诱 导物(gratuitous inducer)
组成型合成
constitutive 不需诱导、持续地合成. 诱导型的合成（如β-半乳糖苷酶也可能产生组 成型突变体mutant） 乳糖操纵子模型有关的试验中，利用了： ①组成型突变体 ②部分二倍体技术（性导, F’因子）
与乳糖代谢有关的三种酶：
β-半乳糖苷酶：水解乳糖为半乳糖和葡萄糖； β-半乳糖苷透性酶：一种膜蛋白，协助乳糖穿
膜进入细菌细胞内。 巯基半乳糖苷转乙酰酶：将一个乙酰基从乙酰
辅酶A转移到β-半乳糖苷上。 三种酶的编码基因分别命名为lacZ 、 lacY和lacA，
统称为结构基因，在染色体上相连在一起。
lacZ：
该阻遏物能变构（allosteric）。即 它还能与乳糖结合，改变构像而丧失了 与operator DNA结合的能力，结构基因 才能够转录表达。
调节基因编码的产
物是一种蛋白质分子， 称为阻遏物。当培养基 内没有乳糖时，阻遏物 结合到操纵基因上，阻 止了RNA聚合酶的通 过，所以结构基因得不 到转录。
操纵子模型（Operon Model） 1960年，Jacob和Monod提出了操纵子模 型，说明乳糖诱导代谢是一个负控制 （negative control）。
获1965年Nobel生理学和医学奖
操纵子模型对乳糖诱导效应的解释
LacI 编码了一个阻遏物(repressor)， 与结构基因附近的一个“假想”位置（命 名为operator site）结合, 从而抑制结构基 因的转录。
培养基加入乳糖后，
乳糖作为诱导物与阻遏 蛋白结合，使阻遏物的 构象改变。阻遏物的构 象改变后，失去了与操 纵基因结合的能力，阻 遏物从操纵基因上解离 下来。于是转录得以进 行。
Jacob和Monod未提出启动基因区（RNA聚合 物 识 别 并 结 合 的 区 域 ） P（Promotor， 又 叫 启 动 子） ,后来由伊彭提出。
乳糖操纵子模型
Joshua Lederberg为了研究乳糖代谢的 三个酶的基因，分离了大量的突变体 （lac -），并经过遗传作图发现它们是 紧密连锁的：Z-Y-A
同时发现它们是被同时诱导转录的。
雅科Jacob和莫诺Monod根据试验事实提 出了操纵子模型operon model。认为这三个 酶的基因转录受一个开关单位的控制。