第七章 乳糖操纵子
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乳糖操纵子概述课件
02
它能够根据环境中乳糖的存在与 合成。
结构
乳糖操纵子包括三个结构基因Z、Y、A，分别编码半乳糖苷酶、半乳糖 苷透酶和半乳糖苷乙酰转移酶。
调节基因I编码一种阻遏蛋白，当阻遏蛋白与乳糖或其类似物结合时，会 阻止RNA聚合酶对结构基因的转录。
药物研发
乳糖操纵子的调控机制为药物研发提供了新的思路，通过研究乳糖操纵子相关 基因的功能和调控机制，有助于发现新的药物靶点，为开发新型药物提供支持。
05
乳糖操纵子的未来展望
乳糖操纵子在生物工程领域的发展前景
生物制药
利用乳糖操纵子构建高表达的基 因工程菌，提高生物制药的产量
和效率。
生物能源
通过优化乳糖操纵子提高微生物对 生物燃料的产量和效率，降低生产 成本。
技术改进
随着基因敲除技术的不断改进，科学 家们能够更精确地研究乳糖操纵子中 单个基因的功能，为深入了解乳糖操 纵子的调控机制提供了有力支持。
乳糖操纵子在基因表达调控中的研究进展
转录水平调控
乳糖操纵子在基因表达调控中发挥着重要作用，通过转录水 平调控，可以调节乳糖操纵子相关基因的表达，进而影响细 菌对乳糖的代谢。
生物肥料
利用乳糖操纵子改良微生物，生产 出具有高效固氮能力的生物肥料。
乳糖操纵子在基因表达调控研究中的发展前景
01
02
03
基因表达机制研究
深入探究乳糖操纵子的工 作机制，为基因表达调控 研究提供更多理论支持。
基因治疗
利用乳糖操纵子实现对特 定基因的表达调控，为基 因治疗提供新的手段。
合成生物学
在合成生物学领域，乳糖 操纵子作为基因表达调控 元件，为构建人工生物系 统提供有力工具。
当环境中没有乳糖存在时，阻遏蛋白会与乳糖操纵子结合，抑制结构基 因的表达。当环境中存在乳糖时，乳糖会与阻遏蛋白结合，使其从操纵 子上解离，从而允许结构基因的表达。
它能够根据环境中乳糖的存在与 合成。
结构
乳糖操纵子包括三个结构基因Z、Y、A，分别编码半乳糖苷酶、半乳糖 苷透酶和半乳糖苷乙酰转移酶。
调节基因I编码一种阻遏蛋白，当阻遏蛋白与乳糖或其类似物结合时，会 阻止RNA聚合酶对结构基因的转录。
药物研发
乳糖操纵子的调控机制为药物研发提供了新的思路，通过研究乳糖操纵子相关 基因的功能和调控机制，有助于发现新的药物靶点，为开发新型药物提供支持。
05
乳糖操纵子的未来展望
乳糖操纵子在生物工程领域的发展前景
生物制药
利用乳糖操纵子构建高表达的基 因工程菌，提高生物制药的产量
和效率。
生物能源
通过优化乳糖操纵子提高微生物对 生物燃料的产量和效率，降低生产 成本。
技术改进
随着基因敲除技术的不断改进，科学 家们能够更精确地研究乳糖操纵子中 单个基因的功能，为深入了解乳糖操 纵子的调控机制提供了有力支持。
乳糖操纵子在基因表达调控中的研究进展
转录水平调控
乳糖操纵子在基因表达调控中发挥着重要作用，通过转录水 平调控，可以调节乳糖操纵子相关基因的表达，进而影响细 菌对乳糖的代谢。
生物肥料
利用乳糖操纵子改良微生物，生产 出具有高效固氮能力的生物肥料。
乳糖操纵子在基因表达调控研究中的发展前景
01
02
03
基因表达机制研究
深入探究乳糖操纵子的工 作机制，为基因表达调控 研究提供更多理论支持。
基因治疗
利用乳糖操纵子实现对特 定基因的表达调控，为基 因治疗提供新的手段。
合成生物学
在合成生物学领域，乳糖 操纵子作为基因表达调控 元件，为构建人工生物系 统提供有力工具。
当环境中没有乳糖存在时，阻遏蛋白会与乳糖操纵子结合，抑制结构基 因的表达。当环境中存在乳糖时，乳糖会与阻遏蛋白结合，使其从操纵 子上解离，从而允许结构基因的表达。
乳糖操纵子
◆
葡萄糖
cAMP
Lac操纵子被抑制 Lac操纵子被抑制
+ + + + 转录 DNA
CAP
P
O
Z
Y
A
CAP CAP CAP CAP
无葡萄糖， 无葡萄糖，cAMP浓度高时 浓度高时
CAP
有葡萄糖， 有葡萄糖，cAMP浓度低时 浓度低时
原核生物基因表达的一般情况 （乳糖操纵子） 乳糖操纵子）
基因表达的外界信号 基因表达的负调控 基因表达的负调控 基因表达的正调控 基因表达的正调控 正、负调控协同表达 葡萄糖、乳糖浓度的变化 葡萄糖、 Lac阻遏物 阻遏物与操纵基因 Lac阻遏物与操纵基因 cAMP+CAP与相应的DNA序列 与相应的DNA cAMP+CAP与相应的DNA序列
Order of controlling elements and genes: lacI: promoter-lacI-terminator operon: promoter-operator-lacZ-lacY-lacA-terminator
-47 — -84
-47 — -8
-3 — +21
-54 —-58 -65 —-69
说明： 说明： 合成特异的阻遏物，无诱导物时可阻止Z ◆ I+合成特异的阻遏物，无诱导物时可阻止Z基 因表达，诱导物可作为阻遏物的拮抗物， 因表达，诱导物可作为阻遏物的拮抗物，使阻 遏物失活 产生无活性阻遏物，因而无需诱导物Z ◆ I-产生无活性阻遏物，因而无需诱导物Z基因 就可表达 ◆ I+ 对I-显性
结构
调控基因 控制位点
I
结构基因
Y a DNA
阻 遏 蛋 白
葡萄糖
cAMP
Lac操纵子被抑制 Lac操纵子被抑制
+ + + + 转录 DNA
CAP
P
O
Z
Y
A
CAP CAP CAP CAP
无葡萄糖， 无葡萄糖，cAMP浓度高时 浓度高时
CAP
有葡萄糖， 有葡萄糖，cAMP浓度低时 浓度低时
原核生物基因表达的一般情况 （乳糖操纵子） 乳糖操纵子）
基因表达的外界信号 基因表达的负调控 基因表达的负调控 基因表达的正调控 基因表达的正调控 正、负调控协同表达 葡萄糖、乳糖浓度的变化 葡萄糖、 Lac阻遏物 阻遏物与操纵基因 Lac阻遏物与操纵基因 cAMP+CAP与相应的DNA序列 与相应的DNA cAMP+CAP与相应的DNA序列
Order of controlling elements and genes: lacI: promoter-lacI-terminator operon: promoter-operator-lacZ-lacY-lacA-terminator
-47 — -84
-47 — -8
-3 — +21
-54 —-58 -65 —-69
说明： 说明： 合成特异的阻遏物，无诱导物时可阻止Z ◆ I+合成特异的阻遏物，无诱导物时可阻止Z基 因表达，诱导物可作为阻遏物的拮抗物， 因表达，诱导物可作为阻遏物的拮抗物，使阻 遏物失活 产生无活性阻遏物，因而无需诱导物Z ◆ I-产生无活性阻遏物，因而无需诱导物Z基因 就可表达 ◆ I+ 对I-显性
结构
调控基因 控制位点
I
结构基因
Y a DNA
阻 遏 蛋 白
乳糖操纵子(精制医学)
负转录调控 没有调节蛋白质存在时基因是 开启 的，加入
调节蛋白质后基因表达活性便被 关闭 ，为负转录 调控。
精制类
19
负转录调控分类:
负控诱导
阻遏蛋白阻止基因转录，与效应物 结合后基因表达
负控阻碍
阻遏蛋白无活性，与效应物结合后 阻止基因转录
正转录调控分类:
正控诱导
激活蛋白与效应物结合后激活基因 转录
正控阻碍
激活蛋白与效应物结合后阻遏基因 转录
精制类
20
基因 表达 调控 4种 模型
负控诱导
负控阻遏
精制类
正控诱导
正控阻遏
21
7.1.2 原核生物表达调控的主要特点
1、可诱导调节 2、可阻遏调节
精制类
22
可诱导调节
定义：指一些基因在特殊的代谢物或化合物的作 用下，由原来关闭的状态转变为工作状态，即在 某些物质的诱导下使基因活化。
例：大肠杆菌的乳糖操纵子 分解代谢蛋白的基因
精制类
23
可阻遏调节
定义：基因平时是开启的，处在产生蛋白质或酶 的工作过程中，由于一些特殊代谢物或化合物的 积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。
例：色氨酸操纵子 合成代谢蛋白的基因
精制类
24
7.1.3 弱化子对基因活性的影响 大肠杆菌的色氨酸操纵子和苯丙氨酸操纵子
启动子 操纵序列
多个结构基因
终止子
精制类
11
1. 结构基因与调节基因
结构基因（structural gene）
编码各类具有不同结构和功能的蛋白质和 RNA的基因。
调节基因
启动子 操纵序列
多个结构基因
终止子
RNA
第七章 乳糖操纵子知识讲解
负控阻碍
阻遏蛋白无活性，与效应物结合后 阻止基因转录
正转录调控分类:
正控诱导
激活蛋白与效应物结合后激活基因 转录
正控阻碍
激活蛋白与效应物结合后阻遏基因 转录
基因 表达 调控 4种 模型
负控诱导 负控阻遏
正控诱导 正控阻遏
7.1.2 原核生物表达调控的主要特点
1、可诱导调节 2、可阻遏调节
可诱导调节
• 了解生物生长发育规律、形态结构特征和生物学 功能。
（1）基因表达调控的概念
基因转录及翻译的过程，从DNA到蛋白质或功能 RNA的过程称为基因表达，对这个过程的调节就 称为表达调控。
注意：rRNA、tRNA编码基因转录合成RNA的过程 也属于基因表达。
（2）基因表达模式
同一细胞内，有的基因表达高，有的表达量低，甚 至不表达。
7.1.3 弱化子对基因活性的影响 大肠杆菌的色氨酸操纵子和苯丙氨酸操纵子
具有这种调节方式。
7.1.4 降解物对基因活性的调节 例如：葡萄糖阻遏或分解代谢产生阻遏作用。
葡萄糖或某些容易利用的碳源，其分解代谢产物阻遏 某些诱导酶体系编码的基因转录的现象。
乳糖操纵子具有这种调节方式。
基本原理
在含葡萄糖和乳糖的培养基上，在葡萄糖没有被 利用完之前，乳糖操纵子就一直被阻遏，乳糖不能被 利用；
反式作用因子（trans-acting factor）:
指能直接或间接地识别或结合在各类顺式作用元 件核心序列上，参与调控靶基因转录效率的蛋白质（有 时为RNA）。也称转录因子。
基因表达的调控方式 阻遏
➢负调控:调控蛋白+DNA序列 基因的表达 阻遏蛋白(相应蛋白质降低)
促进 ➢正调控:调控蛋白+DNA序列 基因的表达
乳糖操纵子ppt课件
30
操纵子调控模型的提出
1961年，Monod和Jacob 提出了操纵子模型学说。
获1965年诺贝尔生理学 和医学奖
Monod and Jacob
31
乳糖操纵子的结构 操纵区 启动子
调节基因
阻遏物
3个结构基因
32
结构基因的功能
Z基因：编码β-半乳糖苷酶。将乳糖水解成葡萄糖 和半乳糖。
当 I 基因由弱启动子突变成强启动子，细胞内就不 可能产生足够的诱导物来克服阻遏状态，整个lac操 纵子在这些突变体中就不可诱导。
52
Lac阻抑物的结构特征
53
N end C end
54
Repressor maintains the lac operon in the inactive condition by binding to
LacZ PO
LacY
LacA
Constitutive express
mRNA
Iso-lactose
Gene : ON β-Galactosidase mRNA product Permease
Iso-lactose
Transacetylase
39
乳糖操纵子调控模型特点 主要内容： ① Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子的
指能直接或间接地识别或结合在各类顺式作用元件 核心序列上，参与调控靶基因转录效率的蛋白质（有时 为RNA）。也称转录因子。
17
基因表达的调控方式
阻遏
负调控:调控蛋白+DNA序列 基因的表达
阻遏蛋白
(相应蛋白质降低)
促进
正调控:调控蛋白+DNA序列 基因的表达
激活蛋白
(相应蛋白质增加)
操纵子调控模型的提出
1961年，Monod和Jacob 提出了操纵子模型学说。
获1965年诺贝尔生理学 和医学奖
Monod and Jacob
31
乳糖操纵子的结构 操纵区 启动子
调节基因
阻遏物
3个结构基因
32
结构基因的功能
Z基因：编码β-半乳糖苷酶。将乳糖水解成葡萄糖 和半乳糖。
当 I 基因由弱启动子突变成强启动子，细胞内就不 可能产生足够的诱导物来克服阻遏状态，整个lac操 纵子在这些突变体中就不可诱导。
52
Lac阻抑物的结构特征
53
N end C end
54
Repressor maintains the lac operon in the inactive condition by binding to
LacZ PO
LacY
LacA
Constitutive express
mRNA
Iso-lactose
Gene : ON β-Galactosidase mRNA product Permease
Iso-lactose
Transacetylase
39
乳糖操纵子调控模型特点 主要内容： ① Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子的
指能直接或间接地识别或结合在各类顺式作用元件 核心序列上，参与调控靶基因转录效率的蛋白质（有时 为RNA）。也称转录因子。
17
基因表达的调控方式
阻遏
负调控:调控蛋白+DNA序列 基因的表达
阻遏蛋白
(相应蛋白质降低)
促进
正调控:调控蛋白+DNA序列 基因的表达
激活蛋白
(相应蛋白质增加)
基因调控-乳糖操纵子
乳糖操纵子在生物工程中的优化与应用
乳糖操纵子在生物工程领域具有潜在的应用价值，例如用于构建基因表达调控系统。通过优化乳糖操 纵子的元件和调控机制，可以开发出更高效、更精确的基因表达调控工具。
研究可以探索将乳糖操纵子与其他基因调控机制结合，以实现更复杂的基因表达模式。这种结合可以 为生物工程领域提供更多创新性的解决方案，例如用于生产生物药物、工业酶或改良作物品种等应用 。
特点
乳糖操纵子具有高度的可诱导性，当环境中乳糖浓度升高时，相 关基因的表达水平也随之升高，当乳糖浓度降低时，相关基因的 表达水平也随之降低。
乳糖操纵子的结构与组成
结构基因Z、Y、A
分别编码β-半乳糖苷酶、β-半乳糖苷 透酶和半乳糖苷乙酰转移酶，这些酶 在乳糖代谢中起关键作用。
调节基因I
编码阻遏蛋白，该蛋白可与乳糖操纵 子上的O序列结合，抑制结构基因的 表达。
适应性进化研究
乳糖操纵子可应用于适应性进化研究中，通过研究乳糖操纵子在不同环境下的适应性变化，揭示生物对环境的适 应机制。
05
未来展望与研究方向
乳糖操纵子与其他基因调控机制的关系
乳糖操纵子是原核生物中一种典型的基因调控机制，通过与 阻遏蛋白的相互作用来调节基因的表达。未来研究可以探索 乳糖操纵子与其他基因调控机制之间的相互作用和关系，以 更全面地理解基因表达的复杂性。
乳糖操纵子的功能与作用机制
功能
乳糖操纵子在乳糖存在时表达相关酶， 将乳糖转化为葡萄糖和半乳糖，供细 胞代谢利用。
作用机制
当环境中乳糖浓度升高时，乳糖通过 与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白失去活 性，从而解除对结构基因表达的抑制 作用，使相关酶得以表达。
02
基因调控的原理
基因表达的调控
乳糖操纵子 ppt课件
➢ 基因表达（gene expression）:基因转录及翻译 的过程，或基因指导下RNA和蛋白质的合成过程。 rRNA、tRNA编码基因转录合成RNA的过程也属于
基因表达
➢ 组成性表达(constitutive expression)：不易受 环境变化而变化的一类基因的表达。
➢ 基因的差别表达(differential gene expression): 在个体发育中，某些基因在特定条件下才进行表达，
结合操纵基因的。当诱导物在相应位点结合时，
它改变了阻遏蛋白的构象，干扰了另一位点的 活性。这种类型的调控叫变构调控
2020/12/2
20
多亚基蛋白具有特殊的遗传特性
• 活性抑制物是有4个相同的亚基组成的四聚体
• 当野生型和突变型亚基都存在时，一个
突变
型的亚基可以导致整个四聚体的失活，即使另外三
个亚基都是野生型的（即显性负效应）。
2020/12/2
11
➢ 负转录调控：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。
负控诱导：阻遏蛋白与效应物（诱导物）结合时，阻遏蛋白无
活性, 不与调控区（顺式作用元件）结合，结构基因转录。
负控阻遏：阻遏蛋白与效应物（辅阻遏物）结合时，阻遏蛋白
有活性，与调控区（顺式作用元件）结合，结构基因不转录。
Activat or
protein Not bound
to DNA
Not bound to DNA
Repressor protein
Lifted off operator site
Bound to operator site
RNA polymeras
e
Keeps falling off promoter
基因表达
➢ 组成性表达(constitutive expression)：不易受 环境变化而变化的一类基因的表达。
➢ 基因的差别表达(differential gene expression): 在个体发育中，某些基因在特定条件下才进行表达，
结合操纵基因的。当诱导物在相应位点结合时，
它改变了阻遏蛋白的构象，干扰了另一位点的 活性。这种类型的调控叫变构调控
2020/12/2
20
多亚基蛋白具有特殊的遗传特性
• 活性抑制物是有4个相同的亚基组成的四聚体
• 当野生型和突变型亚基都存在时，一个
突变
型的亚基可以导致整个四聚体的失活，即使另外三
个亚基都是野生型的（即显性负效应）。
2020/12/2
11
➢ 负转录调控：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。
负控诱导：阻遏蛋白与效应物（诱导物）结合时，阻遏蛋白无
活性, 不与调控区（顺式作用元件）结合，结构基因转录。
负控阻遏：阻遏蛋白与效应物（辅阻遏物）结合时，阻遏蛋白
有活性，与调控区（顺式作用元件）结合，结构基因不转录。
Activat or
protein Not bound
to DNA
Not bound to DNA
Repressor protein
Lifted off operator site
Bound to operator site
RNA polymeras
e
Keeps falling off promoter
《乳糖操纵子》课件
乳糖Байду номын сангаас纵子的作用
乳糖操纵子可以作用于多种生物体，包括微生物、植物和动物。它以不同的 方式干预乳糖代谢，从而产生多种实用效果。
乳糖操纵子的应用场景广泛，涵盖了农业、生物技术和医学研究等领域。它 为科学家和工程师提供了探索和创新的空间。
乳糖操纵子的应用
乳糖操纵子在农业领域具有重要应用价值，例如优化奶牛饲料，提高乳制品 生产效率和质量。
在生物技术领域中，乳糖操纵子被广泛应用于基因工程和合成生物学等研究， 为科学家开创了新的实验和创新方法。
此外，乳糖操纵子还在医学研究中发挥着重要作用，为疾病治疗和新药开发 提供了新的思路和策略。
乳糖操纵子的风险
乳糖操纵子的应用可能存在一些风险因素，例如基因突变引起的不可控制的结果和引发生物多样性问题。 为了规避这些风险，科学家和工程师需要加强研究和监管，确保乳糖操纵子的安全性和可持续性。 未来，乳糖操纵子的发展趋势包括更精准的设计和更高效的应用，以更好地满足各个领域的需求。
总结
通过本次课程，我们学习了乳糖操纵子的定义、作用、应用和相关风险。
乳糖操纵子在生物技术领域中具有重要性，并且在未来可能有更广阔的应用 前景。
对于进一步学习乳糖操纵子的人士，建议深入研究其机理和应用案例，以便 更好地利用这一强大的工具。
《乳糖操纵子》PPT课件
欢迎来到《乳糖操纵子》PPT课件。在本次课程中，我们将探讨乳糖操纵子的 定义、作用、应用以及相关风险。
什么是乳糖操纵子
乳糖操纵子是一种在生物技术领域中应用广泛的工具。它可以通过操纵乳糖相关的基因和代谢途径，实现对生 物体的控制和改造。 乳糖操纵子的发现历程经历了多年的研究和实践，人们不断探索其作用原理，以便更好地利用它的潜力。
第七章 乳糖操纵子
Lac
第四十六页，共68页。
lac操纵子影响因子
1、lac操纵子的本底水平表达
第二个矛盾： ②真正的诱导物是异构乳糖（也称别乳糖）而非乳糖，
前者是在β-半乳糖甘酶（Z基因编码）的催化下由
乳糖形成的，因此，需要有β-半乳糖甘酶的预先存在。
Lac
第四十七页，共68页。
别乳糖
乳糖操纵子活化，基因表达
鸡 - 蛋矛盾
第二页，共68页。
面对恶劣环境， 适者生存。
第三页，共68页。
基因表达调控的生物学意 义
• 适应环境、维持生长和增殖（原核、真核）
• 维持个体发育与分化（真核）
• 了解生物生长发育规律、形态结构特征和生物学功 能。
第四页，共68页。
（1）基因表达调控的概念
基因转录及翻译的过程，从DNA到蛋白质或功能 RNA的过程称为基因表达，对这个过程的调节就称为
糖。
第三十四页，共68页。
安慰诱导物：
事实上，研究诱导作用很少直接使用乳糖。 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）。
第三十五页，共68页。
别乳糖
β-半乳糖苷酶
结合lac阻遏物
IPTG
IPTG不是半乳糖苷酶可切割 的底物
负调控（negative control）:调节基因编码阻抑 因子与操纵基因结合来阻止基因的表达。
第十四页，共68页。
4. 诱导与阻遏
诱导 (induction)： 通过小分子诱导物参与, 使阻抑物失活或活化
激活剂来实现对基因或操纵子表达的调控 。
阻遏(repression): 通过小分子辅阻遏物参与，使激活剂失活或
第四十六页，共68页。
lac操纵子影响因子
1、lac操纵子的本底水平表达
第二个矛盾： ②真正的诱导物是异构乳糖（也称别乳糖）而非乳糖，
前者是在β-半乳糖甘酶（Z基因编码）的催化下由
乳糖形成的，因此，需要有β-半乳糖甘酶的预先存在。
Lac
第四十七页，共68页。
别乳糖
乳糖操纵子活化，基因表达
鸡 - 蛋矛盾
第二页，共68页。
面对恶劣环境， 适者生存。
第三页，共68页。
基因表达调控的生物学意 义
• 适应环境、维持生长和增殖（原核、真核）
• 维持个体发育与分化（真核）
• 了解生物生长发育规律、形态结构特征和生物学功 能。
第四页，共68页。
（1）基因表达调控的概念
基因转录及翻译的过程，从DNA到蛋白质或功能 RNA的过程称为基因表达，对这个过程的调节就称为
糖。
第三十四页，共68页。
安慰诱导物：
事实上，研究诱导作用很少直接使用乳糖。 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）。
第三十五页，共68页。
别乳糖
β-半乳糖苷酶
结合lac阻遏物
IPTG
IPTG不是半乳糖苷酶可切割 的底物
负调控（negative control）:调节基因编码阻抑 因子与操纵基因结合来阻止基因的表达。
第十四页，共68页。
4. 诱导与阻遏
诱导 (induction)： 通过小分子诱导物参与, 使阻抑物失活或活化
激活剂来实现对基因或操纵子表达的调控 。
阻遏(repression): 通过小分子辅阻遏物参与，使激活剂失活或
第7章原核生物基因表达的调控
④ 当阻遏物与操纵基因结合时，lac mRNA转录起始受到抑制。
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。
gene
正调控
调控蛋白
负调控
结构基因表达
▪ 负调控：抑制基因表达的调控方式 ▪ 正调控：促进基因表达的调控方式
B、特殊代谢物的调控
诱导(induction)
阻遏(repression)
inducer
gene
repressor
gene
特殊代谢物
诱导 阻遏
结构基因表达
诱导物、可诱导基因 阻遏物、可阻遏基因
无葡萄糖、 有乳糖-----cAMP水平高 （2）cAMP与CRP结合形成有活性的
CRP- cAMP 复合物 （3）CRP-cAMP 与Plac结合 （4）增强了RNA聚合酶与启动子的结合
（5）lacZ， lacY 、 lacA高表达
105
40
105
41
乳糖、G存在与否及与操纵子正、负控因素、 基因开放与关闭情况如下：
CRP
Binding
RNA
Promoter
Operator
CRP
Pol. Repressor
cAMP
LacZ
LacY
LacA
Repressor mRNA
STOP
Right there
CRP
Polymerase
cAMP
Repressor
cAMP
CRP
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。
gene
正调控
调控蛋白
负调控
结构基因表达
▪ 负调控：抑制基因表达的调控方式 ▪ 正调控：促进基因表达的调控方式
B、特殊代谢物的调控
诱导(induction)
阻遏(repression)
inducer
gene
repressor
gene
特殊代谢物
诱导 阻遏
结构基因表达
诱导物、可诱导基因 阻遏物、可阻遏基因
无葡萄糖、 有乳糖-----cAMP水平高 （2）cAMP与CRP结合形成有活性的
CRP- cAMP 复合物 （3）CRP-cAMP 与Plac结合 （4）增强了RNA聚合酶与启动子的结合
（5）lacZ， lacY 、 lacA高表达
105
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41
乳糖、G存在与否及与操纵子正、负控因素、 基因开放与关闭情况如下：
CRP
Binding
RNA
Promoter
Operator
CRP
Pol. Repressor
cAMP
LacZ
LacY
LacA
Repressor mRNA
STOP
Right there
CRP
Polymerase
cAMP
Repressor
cAMP
CRP
详细版——乳糖操纵子
29 2013-10-31
激活蛋白(activating protein)：与操 纵区结合后能增强或起动其调控的基因转 录，所介导的调控方式为正调控 (positive regulation)。
30 2013-10-31
某些特定的物质能与调控蛋白结合，使调 控蛋白的空间构像发生变化，从而改变其对基 因转录的影响，这些特定物质可称为效应物 （effector）。有两种：
Collaboration between mentor and student won a Nobel Prize. It has not been common in the history. Only the lucky ones, who were willing to share the credit and lived long, panned out in the end. That was why I remember this story: The teacher-student team: Franç Jacob (1920-2013), student. ois Jacques Monod (1910-1976), Lwoff's colleauge. AndréLwoff (1902-1994), Jacob's mentor. Notable awards: 1965 Nobel Prize in Medicine. He shared the 1965 Nobel Prize in Medicine with Jacques Monod and AndréLwoff (1902-1994).
13 2013-10-31
2. 操纵子的基本组成
乳糖操纵子模型已被许多研究实验所证 实，对其有了更深入的认识，并且发现其他 原核生物基因调控也有类似的操纵子组织， 操纵子是原核基因表达调控的一种重要的组 织形式，大肠杆菌的基因多数以操纵子的形 式组成基因表达调控的单元。
激活蛋白(activating protein)：与操 纵区结合后能增强或起动其调控的基因转 录，所介导的调控方式为正调控 (positive regulation)。
30 2013-10-31
某些特定的物质能与调控蛋白结合，使调 控蛋白的空间构像发生变化，从而改变其对基 因转录的影响，这些特定物质可称为效应物 （effector）。有两种：
Collaboration between mentor and student won a Nobel Prize. It has not been common in the history. Only the lucky ones, who were willing to share the credit and lived long, panned out in the end. That was why I remember this story: The teacher-student team: Franç Jacob (1920-2013), student. ois Jacques Monod (1910-1976), Lwoff's colleauge. AndréLwoff (1902-1994), Jacob's mentor. Notable awards: 1965 Nobel Prize in Medicine. He shared the 1965 Nobel Prize in Medicine with Jacques Monod and AndréLwoff (1902-1994).
13 2013-10-31
2. 操纵子的基本组成
乳糖操纵子模型已被许多研究实验所证 实，对其有了更深入的认识，并且发现其他 原核生物基因调控也有类似的操纵子组织， 操纵子是原核基因表达调控的一种重要的组 织形式，大肠杆菌的基因多数以操纵子的形 式组成基因表达调控的单元。
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是阻遏物的结合位点。
Lac操纵子的起点处的抑制子和RNA聚合酶位点重合
RNA聚合酶结合部位 阻遏物结合部位
④当阻遏物与操纵基因结合时，lac mRNA的转录
起始受到抑制。
⑤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
第七章 原核基因表达调控
主讲人：徐飞 武汉生物工程学院 生命科学与技术学院
本章内容
原核基因表达调控的总论
乳糖操纵子与负控诱导系统
色氨酸操纵子与负控阻遏系统
重点 重点
其他操纵子
固氮基因调控 转录水平上的其他调控方式 转录后调控
7.1
基因表达调控总论
什么是基因表达与 调控？
RNA Pol.
LacZ
LacY
Repressor
Repressor
This lactose has bent me out of shape
CAP
Repressor
Some transcription occurs, but at a slow rate
（1）基因表达调控的概念
基因转录及翻译的过程，从 DNA 到蛋白质或功能 RNA 的过程称为基因表达，对这个过程的调节就
称为表达调控。
注意： rRNA 、 tRNA 编码基因转录合成 RNA 的过 程也属于基因表达。
（2）基因表达模式
同一细胞内，有的基因表达高，有的表达量低，甚 至不表达。
• 原核基因表达调控的特点 • 原核基因表达调控的分类 • 几个重要概念
小结
作业：简述基因表达调控的几种方式？
7.2
乳糖操纵子与负控诱导
内容提要： 乳糖操纵子的结构
酶的诱导——lac体系受调控的证据
乳糖操纵子调控模型及其影响因子
Lac操纵子中的其他问题
操纵子调控模型 操纵子：
是原核生物基因表达调控的一种重要组织形式。
（3）基因的表达调控方式
基因水平的调控
转录水平的调控
转录水平调控
转录产物加工的调控
翻译水平的调控以及翻译 后的加工等
转录后水平调控
原核生物与真核生物转录及翻译调控的总体特征
• 原核生物-----营养和环境 • 真核生物-----激素水平和发育阶段
7.1.1 原核基因表达调控分类
• 根据调控机制：
负转录调控 正转录调控
调节基因编码阻遏蛋白， 阻止结构基因转录。
调节基因编码激活蛋白， 促进结构基因转录。
负控诱导
负控阻遏
正控诱导
正控阻遏
几个重要概念
结构基因与调节基因
阻遏物、操纵基因与操纵子 正调控与负调控 诱导与阻遏 顺式作用元件与反式作用因子
调节基因
启动子
Negative regulation of lac operon
RNA polymerase LacI
PI
LacZ PO
LacY
LacA
Constitutive express mRNA
Iso-lactose Gene : ON
β-Galactosidase Permease
mRNA product
反式作用因子相互作用而起作用。
反式作用因子（trans-acting factor）:
指能直接或间接地识别或结合在各类顺式作用元件
核心序列上，参与调控靶基因转录效率的蛋白质（有时
为RNA）。也称转录因子。
基因表达的调控方式
阻遏 负调控:调控蛋白+DNA序列 基因的表达 (相应蛋白质降低) 阻遏蛋白
调控。
负转录调控分类:
负控诱导 负控阻碍
阻遏蛋白阻止基因转录，与效应物 结合后基因表达 阻遏蛋白无活性，与效应物结合后 阻止基因转录
正转录调控分类:
正控诱导 正控阻碍
激活蛋白与效应物结合后激活基因 转录 激活蛋白与效应物结合后阻遏基因 转录
负控诱导
正控诱导
基因 表达 调控 4种 模型
负控阻遏
去掉乳糖后，lac mRNA含量快速下降到几乎无法检
测到的水平，表明乳糖能激发lac mRNA的合成。
2、在有葡萄糖和乳糖同时存在时，细菌优先利用葡 萄糖。
安慰诱导物： 事实上，研究诱导作用很少直接使用乳糖。 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）。
不同的组织器官，基因表达数目及表达量不同。
同一基因在不同组织器官中表达量也不相同。
仅少部分基因在不同细胞类型及生长发育时期表达 相同，这类基因被称为组成性表达基因，或被称为 管家基因。 与细胞分化，组织、器官及生物体适应环境所需而 表达的基因，被称为适应性表达基因，或被称为奢 侈基因。
当乳糖成为唯一碳源时， 起初本底表达的产物使少量的 乳糖进入细胞，并被转化成异 构乳糖，获得真正的诱导物。
Lac操纵子
阻遏物泄漏表达
Hey man, I’m constitutive Great, I can transcribe!
Repressor
CAP
Bindin g
PromoterOperator
②真正的诱导物是异构乳糖（也称别乳糖）而非乳糖， 前者是在β-半乳糖甘酶（Z基因编码）的催化下由 乳糖形成的，因此，需要有β- 半乳糖甘酶的预先 存在。
Lac
别乳糖
乳糖操纵子活化，基因表达
鸡 - 蛋矛盾
透过性酶
β -半乳糖苷酶
培养基中的乳糖
吸收进入细胞
在胞内：转化为异构乳糖
解释：
PI
LacI
PO
3、阻遏物 lac I 基因产物及功能 研究表明，LacI 操纵子阻遏物mRNA是由弱启动子 控制下组成型合成的，每个细胞中有5-10个阻遏物 分子。
当 I 基因由弱启动子突变成强启动子，细胞内就不 可能产生足够的诱导物来克服阻遏状态，整个lac操 纵子在这些突变体中就不可诱导。
Lac阻抑物的结构特征
• 基因表达=基因转录+翻译
• 基因表达的调控:
生物体随时调整不同基因的表达状态, 以适应环境、维持生长和发育需要。
面对恶劣环境， 适者生存。
基因表达调控的生物学意义
• 适应环境、维持生长和增殖（原核、真核） • 维持个体发育与分化（真核） • 了解生物生长发育规律、形态结构特征和生物学 功能。
调节基因 启动子
操纵序列
多个结构基因
终止子
2. 阻遏物、操纵基因与操纵子
阻遏物（repressor）:阻止基因表达的蛋白质，可与 操纵基因结合来阻止转录或结合RNA来阻止蛋白质 的翻译。 操纵基因（operator）: DNA上的一个位点，阻遏物 能与之结合抑制相邻启动子起始转录。 操纵子（operon）:细菌基因表达和调控的单位，包 括结构基因和能被调控基因产物识别的 DNA控制元 件。
乳糖操纵子具有这种调节方式。
基本原理
在含葡萄糖和乳糖的培养基上，在葡萄糖没有被 利用完之前，乳糖操纵子就一直被阻遏，乳糖不能被 利用； 直到葡萄糖被利用完后，乳糖操纵子才进行转录， 形成利用乳糖的酶。
7.1.5 细菌的应急反应
信号： 鸟苷四磷酸 ppGpp, 会关闭很多基因，同 时也会激活一些应急 基因。
积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。
例：色氨酸操纵子
合成代谢蛋白的基因
7.1.3 弱化子对基因活性的影响
大肠杆菌的色氨酸操纵子和苯丙氨酸操纵子
具有这种调节方式。
7.1.4 降解物对基因活性的调节 例如：葡萄糖阻遏或分解代谢产生阻遏作用。 葡萄糖或某些容易利用的碳源，其分解代谢产物阻遏 某些诱导酶体系编码的基因转录的现象。
原核生物中几个功能相关的结构基因成簇串联 排列组成的一个基因表达的协同单位。
操纵子调控模型的提出
1961年，Monod和Jacob 提出了操纵子模型学说。 获1965年诺贝尔生理学 和医学奖
Monod and Jacob
乳糖操纵子的结构
启动子 调节基因
操纵区
阻遏物
3个结构基因
结构基因的功能 Z基因：编码β-半乳糖苷酶。将乳糖水解成葡萄糖
促进 正调控:调控蛋白+DNA序列 基因的表达 (相应蛋白质增加) 激活蛋白
正转录调控
没有调节蛋白质存在时基因是（关闭/开启）
的，加入这种调节蛋白质后基因活性就被（关闭/ 开启），为正转录调控。 负转录调控 没有调节蛋白质存在时基因是 调节蛋白质后基因表达活性便被
开启
的，加入
关闭
，为负转录
N end
C end
Repressor maintains the lac operon in the inactive condition by binding to the operator. The shape of the repressor is represented as a series of connected domains as revealed by its crystal structure
占据，所以启动子能够顺利起始mRNA的合成。
lac操纵子影响因子 1、lac操纵子的本底水平表达 有两个矛盾是操纵子理论不能解释的： ①阻遏物在细胞内，诱导物在细胞外。因此，诱导物 需要穿过细胞膜才能与阻遏物结合，而转运诱导物 需要透过酶的存在（Y基因编码）。
Lac
lac操纵子影响因子 1、lac操纵子的本底水平表达 第二个矛盾：
3. 正调控与负调控
正调控（positive control）: 调节基因编码 的激活因子通过与启动子元件结合来促进基 因的表达。
Lac操纵子的起点处的抑制子和RNA聚合酶位点重合
RNA聚合酶结合部位 阻遏物结合部位
④当阻遏物与操纵基因结合时，lac mRNA的转录
起始受到抑制。
⑤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
第七章 原核基因表达调控
主讲人：徐飞 武汉生物工程学院 生命科学与技术学院
本章内容
原核基因表达调控的总论
乳糖操纵子与负控诱导系统
色氨酸操纵子与负控阻遏系统
重点 重点
其他操纵子
固氮基因调控 转录水平上的其他调控方式 转录后调控
7.1
基因表达调控总论
什么是基因表达与 调控？
RNA Pol.
LacZ
LacY
Repressor
Repressor
This lactose has bent me out of shape
CAP
Repressor
Some transcription occurs, but at a slow rate
（1）基因表达调控的概念
基因转录及翻译的过程，从 DNA 到蛋白质或功能 RNA 的过程称为基因表达，对这个过程的调节就
称为表达调控。
注意： rRNA 、 tRNA 编码基因转录合成 RNA 的过 程也属于基因表达。
（2）基因表达模式
同一细胞内，有的基因表达高，有的表达量低，甚 至不表达。
• 原核基因表达调控的特点 • 原核基因表达调控的分类 • 几个重要概念
小结
作业：简述基因表达调控的几种方式？
7.2
乳糖操纵子与负控诱导
内容提要： 乳糖操纵子的结构
酶的诱导——lac体系受调控的证据
乳糖操纵子调控模型及其影响因子
Lac操纵子中的其他问题
操纵子调控模型 操纵子：
是原核生物基因表达调控的一种重要组织形式。
（3）基因的表达调控方式
基因水平的调控
转录水平的调控
转录水平调控
转录产物加工的调控
翻译水平的调控以及翻译 后的加工等
转录后水平调控
原核生物与真核生物转录及翻译调控的总体特征
• 原核生物-----营养和环境 • 真核生物-----激素水平和发育阶段
7.1.1 原核基因表达调控分类
• 根据调控机制：
负转录调控 正转录调控
调节基因编码阻遏蛋白， 阻止结构基因转录。
调节基因编码激活蛋白， 促进结构基因转录。
负控诱导
负控阻遏
正控诱导
正控阻遏
几个重要概念
结构基因与调节基因
阻遏物、操纵基因与操纵子 正调控与负调控 诱导与阻遏 顺式作用元件与反式作用因子
调节基因
启动子
Negative regulation of lac operon
RNA polymerase LacI
PI
LacZ PO
LacY
LacA
Constitutive express mRNA
Iso-lactose Gene : ON
β-Galactosidase Permease
mRNA product
反式作用因子相互作用而起作用。
反式作用因子（trans-acting factor）:
指能直接或间接地识别或结合在各类顺式作用元件
核心序列上，参与调控靶基因转录效率的蛋白质（有时
为RNA）。也称转录因子。
基因表达的调控方式
阻遏 负调控:调控蛋白+DNA序列 基因的表达 (相应蛋白质降低) 阻遏蛋白
调控。
负转录调控分类:
负控诱导 负控阻碍
阻遏蛋白阻止基因转录，与效应物 结合后基因表达 阻遏蛋白无活性，与效应物结合后 阻止基因转录
正转录调控分类:
正控诱导 正控阻碍
激活蛋白与效应物结合后激活基因 转录 激活蛋白与效应物结合后阻遏基因 转录
负控诱导
正控诱导
基因 表达 调控 4种 模型
负控阻遏
去掉乳糖后，lac mRNA含量快速下降到几乎无法检
测到的水平，表明乳糖能激发lac mRNA的合成。
2、在有葡萄糖和乳糖同时存在时，细菌优先利用葡 萄糖。
安慰诱导物： 事实上，研究诱导作用很少直接使用乳糖。 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）。
不同的组织器官，基因表达数目及表达量不同。
同一基因在不同组织器官中表达量也不相同。
仅少部分基因在不同细胞类型及生长发育时期表达 相同，这类基因被称为组成性表达基因，或被称为 管家基因。 与细胞分化，组织、器官及生物体适应环境所需而 表达的基因，被称为适应性表达基因，或被称为奢 侈基因。
当乳糖成为唯一碳源时， 起初本底表达的产物使少量的 乳糖进入细胞，并被转化成异 构乳糖，获得真正的诱导物。
Lac操纵子
阻遏物泄漏表达
Hey man, I’m constitutive Great, I can transcribe!
Repressor
CAP
Bindin g
PromoterOperator
②真正的诱导物是异构乳糖（也称别乳糖）而非乳糖， 前者是在β-半乳糖甘酶（Z基因编码）的催化下由 乳糖形成的，因此，需要有β- 半乳糖甘酶的预先 存在。
Lac
别乳糖
乳糖操纵子活化，基因表达
鸡 - 蛋矛盾
透过性酶
β -半乳糖苷酶
培养基中的乳糖
吸收进入细胞
在胞内：转化为异构乳糖
解释：
PI
LacI
PO
3、阻遏物 lac I 基因产物及功能 研究表明，LacI 操纵子阻遏物mRNA是由弱启动子 控制下组成型合成的，每个细胞中有5-10个阻遏物 分子。
当 I 基因由弱启动子突变成强启动子，细胞内就不 可能产生足够的诱导物来克服阻遏状态，整个lac操 纵子在这些突变体中就不可诱导。
Lac阻抑物的结构特征
• 基因表达=基因转录+翻译
• 基因表达的调控:
生物体随时调整不同基因的表达状态, 以适应环境、维持生长和发育需要。
面对恶劣环境， 适者生存。
基因表达调控的生物学意义
• 适应环境、维持生长和增殖（原核、真核） • 维持个体发育与分化（真核） • 了解生物生长发育规律、形态结构特征和生物学 功能。
调节基因 启动子
操纵序列
多个结构基因
终止子
2. 阻遏物、操纵基因与操纵子
阻遏物（repressor）:阻止基因表达的蛋白质，可与 操纵基因结合来阻止转录或结合RNA来阻止蛋白质 的翻译。 操纵基因（operator）: DNA上的一个位点，阻遏物 能与之结合抑制相邻启动子起始转录。 操纵子（operon）:细菌基因表达和调控的单位，包 括结构基因和能被调控基因产物识别的 DNA控制元 件。
乳糖操纵子具有这种调节方式。
基本原理
在含葡萄糖和乳糖的培养基上，在葡萄糖没有被 利用完之前，乳糖操纵子就一直被阻遏，乳糖不能被 利用； 直到葡萄糖被利用完后，乳糖操纵子才进行转录， 形成利用乳糖的酶。
7.1.5 细菌的应急反应
信号： 鸟苷四磷酸 ppGpp, 会关闭很多基因，同 时也会激活一些应急 基因。
积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。
例：色氨酸操纵子
合成代谢蛋白的基因
7.1.3 弱化子对基因活性的影响
大肠杆菌的色氨酸操纵子和苯丙氨酸操纵子
具有这种调节方式。
7.1.4 降解物对基因活性的调节 例如：葡萄糖阻遏或分解代谢产生阻遏作用。 葡萄糖或某些容易利用的碳源，其分解代谢产物阻遏 某些诱导酶体系编码的基因转录的现象。
原核生物中几个功能相关的结构基因成簇串联 排列组成的一个基因表达的协同单位。
操纵子调控模型的提出
1961年，Monod和Jacob 提出了操纵子模型学说。 获1965年诺贝尔生理学 和医学奖
Monod and Jacob
乳糖操纵子的结构
启动子 调节基因
操纵区
阻遏物
3个结构基因
结构基因的功能 Z基因：编码β-半乳糖苷酶。将乳糖水解成葡萄糖
促进 正调控:调控蛋白+DNA序列 基因的表达 (相应蛋白质增加) 激活蛋白
正转录调控
没有调节蛋白质存在时基因是（关闭/开启）
的，加入这种调节蛋白质后基因活性就被（关闭/ 开启），为正转录调控。 负转录调控 没有调节蛋白质存在时基因是 调节蛋白质后基因表达活性便被
开启
的，加入
关闭
，为负转录
N end
C end
Repressor maintains the lac operon in the inactive condition by binding to the operator. The shape of the repressor is represented as a series of connected domains as revealed by its crystal structure
占据，所以启动子能够顺利起始mRNA的合成。
lac操纵子影响因子 1、lac操纵子的本底水平表达 有两个矛盾是操纵子理论不能解释的： ①阻遏物在细胞内，诱导物在细胞外。因此，诱导物 需要穿过细胞膜才能与阻遏物结合，而转运诱导物 需要透过酶的存在（Y基因编码）。
Lac
lac操纵子影响因子 1、lac操纵子的本底水平表达 第二个矛盾：
3. 正调控与负调控
正调控（positive control）: 调节基因编码 的激活因子通过与启动子元件结合来促进基 因的表达。