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1、1 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 (promote
2、r ， 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)。 2 结构基因 ? Z 编码 - 半乳糖苷酶：将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖。 ?Y 编码 - 半乳糖苷透过酶：使外界的- 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 - 半乳糖苷乙酰基转移酶：乙酰辅酶A 上的乙酰基转到- 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
3、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(
4、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 3 (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
5、行各种实验。 X-gal （ 5- 溴-4- 录-3- 吲哚 - - 半乳糖苷）也是一种人工化学合成的半乳 糖苷，可被半乳糖苷酶水解产生兰色化合物，因此可以用作半乳糖苷酶活 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- 半乳糖苷酶相似， 且不能被酶分解，比如异丙基 - -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
6、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 - 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
7、（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 5AMP 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
8、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 4 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
