操纵子的实验、种类及生物学意义操纵子的实验、种类及生物学意义 （（Operon, species and biological significance of the experiment）） 本章主要内容本章主要内容v 基本概念与原理基本概念与原理v 原核生物基因转录调控原核生物基因转录调控v 操纵子的种类操纵子的种类 一、操纵子的概念一、操纵子的概念 是由功能上相关联的多个编码序列（是由功能上相关联的多个编码序列（2个以上）及其上游的个以上）及其上游的调控序列（包括操纵序列、启动序列和调节序列）等成簇调控序列（包括操纵序列、启动序列和调节序列）等成簇串联在一起，构成的一个转录协调单位串联在一起，构成的一个转录协调单位原理：当乳糖存在时，该酶分解乳糖当乳糖不存在时，阻遏基因产生阻遏蛋白，结合到操纵子基因上这种结合阻挡了结构基因的表达，使不产生分解乳糖的酶但是，当环境中存在乳糖时，乳糖分子结合到阻遏蛋白的底物上，阻止了阻遏蛋白和操纵基因的结合操纵基因现在自由了，它将不阻挡结构基因表达v 1940年，年，Jacques Monod开始研究开始研究E.coli 进行乳糖代谢的一些特征进行乳糖代谢的一些特征研究，观察到乳糖和其他半乳糖苷可以诱导研究，观察到乳糖和其他半乳糖苷可以诱导β-半乳糖苷酶的产生。
他半乳糖苷酶的产生他和和MelvinCohn用抗用抗β-半乳糖苷酶抗体检测酶蛋白，发现诱导后酶量增半乳糖苷酶抗体检测酶蛋白，发现诱导后酶量增加v进一步研究发现事情更复杂一些神秘的突变株进一步研究发现事情更复杂一些神秘的突变株“cryptic mutants”能能产生产生β-半乳糖苷酶，但是却不能在以乳糖为碳源的培养基中生长这半乳糖苷酶，但是却不能在以乳糖为碳源的培养基中生长这是什么原因呢是什么原因呢? v为了回答这个问题，他们用放射性标记的半乳糖苷进行研究发现野生型菌在为了回答这个问题，他们用放射性标记的半乳糖苷进行研究发现野生型菌在乳糖诱导后会摄取半乳糖苷，而这种突变型菌不能乳糖诱导后会摄取半乳糖苷，而这种突变型菌不能 -Lactose +LactoseWild strain - +Cryptic mutant - -v这个实验结果有什么提示呢？这个实验结果有什么提示呢？1）在野生型菌中，有一种物质与）在野生型菌中，有一种物质与β-半乳糖苷酶一起被诱导，它负责输送半乳糖苷半乳糖苷酶一起被诱导，它负责输送半乳糖苷进入细胞。
进入细胞2）突变株中，这种物质的基因被破坏突变株中，这种物质的基因被破坏vMonod和同事努力分离纯化得到了半乳糖苷透过酶在这个过程中，他们还分离到了另一个蛋白：半乳糖苷转乙酰酶，该酶与β-半乳糖苷酶和半乳糖苷透过酶一起被诱导v这样，到了这样，到了50年代末，年代末，Monod已经知道有三种酶共同被半乳糖苷诱导他们也已经知道有三种酶共同被半乳糖苷诱导他们也发现了一些组成型突变株，不需要诱导就可以产生这三种酶发现了一些组成型突变株，不需要诱导就可以产生这三种酶Monod认识到用认识到用遗传学分析可以加快实验进展，所以与同在遗传学分析可以加快实验进展，所以与同在Pasteur Institute工作的工作的Francois Jacob开展了合作研究开展了合作研究 阻遏的机制Barbara Krummel and Michael Chamberlin提出一种解释：R阻断了起始转录复合物向延伸状态的转变换句话说，R把RNAP困在起始状态，只能合成很短的转录体Jookyung Lee and Alex Goldfarb为这一解释提供了实验证据应用了run-off转录方法，使用一旦123bp DNA（含lac控制区和lacZ基因的起始部分）。
先将R与DNA一起孵育10min，让R-O结合再加RNAP，20min后（让开放型启动子复合物形成）加heparinHeparin能与游离的RNAP或与DNA结合不紧密的RNAP结合，抑制RNAP与启动子结合然后加入RNAP反应的其他成分，但不包括CTP5min后，加入α-32P-CTP及IPTG，并设立不加IPTG对照反应10min后，通过电泳观察是否发生run-off转录实验结果显示，确实观察到了转录题因此，R不能抑制RNAP与laP之间的紧密结合实际上lac操纵子有3个operator除了主要的O1，还有两个辅助的O，一个在上游，一个在下游，都与阻遏作用有关，但O1起主要作用两个O之间可以通过R相互作用 Lac操纵子的正调控当E.coli在含葡萄糖和乳糖的混合碳源培养基中生长时，菌体首先利用葡萄糖，仅当葡萄糖消耗完后才利用乳糖在葡萄糖存在时，即使无阻遏物存在（lacI-），lac基因也不表达进一步研究表明，葡萄糖对lac基因表达的抑制是间接的，是葡萄糖的某些代谢产物抑制了lac基因表达，因此这种效应被称为代谢物阻遏效应（catabolite repression） 二、诱导和阻遏表达二、诱导和阻遏表达诱导表达诱导表达 在在特特定定环环境境信信号号刺刺激激下下，，相相应应的的基基因因被被激激活活，，基基因因表表达达产产物物增增加加，，这这种种基基因因称称为为可可诱诱导导基基因因。
可可诱诱导导基基因因在在特特定定环环境境中中表表达达增增强强的的过过程程，，称称为为诱诱导导(induction)阻遏表达阻遏表达 如如果果基基因因对对环环境境信信号号应应答答是是被被抑抑制制，，这这种种基基因因是是可可阻阻遏遏基基因因可可阻阻遏遏基基因因表表达达产产物物水水平平降降低低的的过过程称为程称为阻遏阻遏(repression)(repression) 三、协调表达三、协调表达 协调表达协调表达 在在一一定定机机制制控控制制下下，，功功能能上上相相关关的的一一组组基基因因，，无无论论其其为为何何种种表表达达方方式式，，均均需需协协调调一一致致、、共共同同表表达达，，即即为为协协调调表表达达(coordinate (coordinate expression)expression)，， 这这 种种 调调 节节 称称 为为 协协 调调 调调 节节(coordinate regulation)(coordinate regulation) 四、基因表达调控的生物学意义四、基因表达调控的生物学意义（一）适应环境变化、维持细胞增殖、分化（一）适应环境变化、维持细胞增殖、分化（二）维持个体生长、发育（二）维持个体生长、发育 五、基因转录激活调节基本要素五、基因转录激活调节基本要素 （一）（一） 特异特异DNADNA序列序列 （二）（二） 调节蛋白调节蛋白 （三）（三） RNA RNA聚合酶聚合酶基因基因激活激活蛋白质降解等蛋白质降解等蛋白质翻译蛋白质翻译翻译后加工修饰翻译后加工修饰转录起始转录起始 1.1. 原核生物的特异原核生物的特异DNADNA序列序列 2.2. 原核生物的基因表达与调控是通过操纵子机原核生物的基因表达与调控是通过操纵子机制实现的。
制实现的 （一）特异（一）特异DNADNA序列序列 操纵子操纵子调节序列调节序列 启动序列启动序列 操纵序列操纵序列 编码序列编码序列 表达表达 转录转录ICAPPOZYA阻遏蛋白阻遏蛋白结合部位结合部位RNARNA聚合酶聚合酶结合部位结合部位 编码序列编码序列 规定蛋白质结构，又称结构基因；规定蛋白质结构，又称结构基因；多顺反子多顺反子mRNAmRNA 由多个结构基因串联在一起，受同一个启动序列调控，转由多个结构基因串联在一起，受同一个启动序列调控，转录生成一个录生成一个mRNA, mRNA, 翻译生成多个蛋白质翻译生成多个蛋白质, ,称此为多顺反子称此为多顺反子mRNA.mRNA.多顺反子多顺反子mRNAmRNA阻遏蛋白阻遏蛋白 1）启动序列）启动序列(启动子启动子)：： 在距离转录起始点－在距离转录起始点－10区和－区和－35区往往含有一些重要的区往往含有一些重要的保守保守序列（共有序列）序列（共有序列）。
－－10区区：含：含TATAAT序列，又称序列，又称TA盒子盒子 －－35区区：含：含TTGACA序列RNARNA聚合酶结合部位聚合酶结合部位 决定转录起始点决定转录起始点 共共有有序序列列(consensus sequence) 决决定定启启动动序列的转录活性大小序列的转录活性大小某某些些特特异异因因子子（（蛋蛋白白质质））决决定定RNA聚聚合合酶酶对对一一个个或或一一套套启启动动序序列列的的特特异异性性识识别别和和结结合能力 2 2 操纵序列操纵序列 ————阻遏蛋白阻遏蛋白(repressor)的结合位点的结合位点当当操操纵纵序序列列结结合合有有阻阻遏遏蛋蛋白白时时，，会会阻阻碍碍RNA聚聚合合酶酶与与启启动动序序列列的的结结合合，，或或是是RNA聚聚合合酶不能沿酶不能沿DNA向前移动向前移动 ，阻碍转录阻碍转录启动序列启动序列编码序列编码序列操纵序列操纵序列pol阻遏蛋白阻遏蛋白 3) 3) 其他调节序列、调节蛋白其他调节序列、调节蛋白例如例如激激活活蛋蛋白白(activator)可可结结合合启启动动序序列列邻邻近近的的DNA序序列列，，促促进进RNA聚聚合合酶酶与与启启动动序序列列的的结合，增强结合，增强RNA聚合酶活性。
聚合酶活性有有些些基基因因在在没没有有激激活活蛋蛋白白存存在在时时，，RNA聚合酶很少或完全不能结合启动序列聚合酶很少或完全不能结合启动序列 2.2.真核生物的特异真核生物的特异DNADNA序列序列3.3. 真核生物基因组中含有可以调控自身基因表真核生物基因组中含有可以调控自身基因表达活性的特异达活性的特异DNADNA序列，称为序列，称为顺式调控元件顺式调控元件 顺式调控元件能够被转录调节蛋白特异识别和顺式调控元件能够被转录调节蛋白特异识别和结合，从而影响基因表达活性结合，从而影响基因表达活性 启动子启动子(promoter) 顺式作用元件顺式作用元件又分又分 增强子增强子(enhancer) 沉默子沉默子(silencer) （（1））启动子启动子 是是RNARNA聚聚合合酶酶结结合合位位点点及及其其周周围围的的一一组组转转录录调调控控组件（组件（包括转录起始点以及典型的包括转录起始点以及典型的TATATATA盒盒）。
（（2 2）增强子）增强子 是是增增强强启启动动子子转转录录活活性性的的DNADNA序序列列，，并并决决定定组组织织特异性表达特异性表达 （（3 3）沉默子）沉默子 能够对基因转录起阻遏作用的能够对基因转录起阻遏作用的DNA片段，属于片段，属于负性调控元件负性调控元件 不不同同真真核核生生物物的的顺顺式式作作用用元元件件中中也也会会发发现现一一些些共共有有序序列列 ，，如如TATA盒盒、、CAAT盒盒等等，，这这些些共共有有序序列列是是RNA聚聚合合酶酶或或特特异异转转录录因因子的结合位点子的结合位点 （二）调节蛋白（二）调节蛋白1.原核生物的调节蛋白原核生物的调节蛋白（（3类）类）特异因子特异因子 决定决定RNARNA聚合酶对启动序列的特异识别和结合能力；聚合酶对启动序列的特异识别和结合能力； ( (RNARNA聚合酶的聚合酶的 －因子－因子) )阻遏蛋白阻遏蛋白 通过与操纵序列结合，阻遏基因转录；通过与操纵序列结合，阻遏基因转录；（（由调节基因表达的阻遏蛋白由调节基因表达的阻遏蛋白））激活蛋白激活蛋白 与启动子上游与启动子上游DNADNA序列结合，促进序列结合，促进RNARNA聚合酶与启动序列聚合酶与启动序列 结合，促进基因转录。
结合，促进基因转录CAPCAP——分解代谢物基因活化蛋白分解代谢物基因活化蛋白）） 2. 2. 真核生物的调节蛋白真核生物的调节蛋白 反式作用因子反式作用因子 能直接或间接与顺式作用元件相互作用，进而调能直接或间接与顺式作用元件相互作用，进而调控基因转录的一类调节蛋白，统称为控基因转录的一类调节蛋白，统称为反式作用因子反式作用因子 还还有有蛋蛋白白质质因因子子可可特特异异识识别别、、结结合合自自身身基基因因的调节序列的调节序列，，调节自身基因的表达，称调节自身基因的表达，称顺式作用顺式作用这种调节作用称为这种调节作用称为反式作用反式作用 cDNAaDNA反式调节反式调节C顺式调节顺式调节 mRNA C蛋白质蛋白质CBA mRNA蛋白质蛋白质AA 反反式式作作用用因因子子与与顺顺式式作作用用元元件件之之间间的的特特异异识识别别及及结结合合通通常常是是非非共共价价结结合合，，被被识识别别的的DNA结结合合位位点点通通常常呈呈对对称称、、或或不不完完全全对对称称结构绝绝大大多多数数调调节节蛋蛋白白质质结结合合DNA前前，，需需通通过过蛋蛋白白质质-蛋蛋白白质质相相互互作作用用，，形形成成二二聚聚体体(dimer)或或多聚体多聚体(polymer)。
反式作用因子按其功能不同，常有以下反式作用因子按其功能不同，常有以下三类：三类： 基本转录因子基本转录因子 转录调节因子：转录调节因子：DNA-蛋白质蛋白质 共调节因子：蛋白质共调节因子：蛋白质-蛋白质蛋白质 (2) (2) 转录调节因子转录调节因子 这类调节蛋白能识别并结合转录起始点的上游激活序列和这类调节蛋白能识别并结合转录起始点的上游激活序列和远端的增强子元件，通过远端的增强子元件，通过DNADNA－蛋白质相互作用而调节转录活－蛋白质相互作用而调节转录活性 起激活转录作用起激活转录作用————转录激活因子；转录激活因子； 阻遏转录作用阻遏转录作用————转录阻遏因子转录阻遏因子3 3）） 共调节因子共调节因子 首先与转录因子或转录调节因子发生蛋白－蛋白相互作用，首先与转录因子或转录调节因子发生蛋白－蛋白相互作用，进而影响它们的分子构象，以调节转录活性进而影响它们的分子构象，以调节转录活性 如果与转录激活因子有协同作用如果与转录激活因子有协同作用————共激活因子；共激活因子； 与转录阻遏因子有协同作用与转录阻遏因子有协同作用————共阻遏因子。
共阻遏因子 ( (三三) RNA) RNA聚合酶聚合酶 1. 1. 启动子与启动子与RNARNA聚合酶活性聚合酶活性 启动子核苷酸序列启动子核苷酸序列影响与影响与RNARNA聚合酶的亲和力聚合酶的亲和力 2. 2. 调节蛋白与调节蛋白与RNARNA聚合酶的活性聚合酶的活性 调节蛋白通过调节蛋白通过DNA-DNA-蛋白质蛋白质相互作用、相互作用、蛋白质蛋白质- -蛋白蛋白质质相互作用影响相互作用影响RNARNA酶酶活性 六、基因表达的多级调控六、基因表达的多级调控 基因结构活化基因结构活化 转录水平转录水平 转录起始转录起始 转录后加工转录后加工 转录后水平转录后水平 转录产物的转运转录产物的转运 翻译调控翻译调控 翻译水平翻译水平 翻译后加工翻译后加工 第二节第二节 原核生物基因转录调控原核生物基因转录调控一、乳糖操纵子调节机制一、乳糖操纵子调节机制控制区控制区信息区信息区结构基因结构基因(S)操纵序列（操纵序列（O））启动序列（启动序列（P P））调节基因调节基因（（I））CPA 一、乳糖操纵子调节机制一、乳糖操纵子调节机制（（一一））乳糖操纵子乳糖操纵子(lac operon)的结构的结构 调控区调控区CAP结合位点结合位点启动序列启动序列操纵序列操纵序列 结构基因结构基因Z：： β-半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y：： 透酶透酶A：乙酰基转移酶：乙酰基转移酶ZYAOPDNA mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时没有乳糖存在时（（二二））阻遏蛋白的负性调节阻遏蛋白的负性调节阻遏基因阻遏基因 mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白有乳糖存在时有乳糖存在时IDNAZYAOPpol启动转录启动转录mRNA乳糖乳糖半乳糖半乳糖 β-半乳糖苷酶半乳糖苷酶 + + + + + + + + 转录转录无葡萄糖，无葡萄糖，cAMP浓度高时浓度高时有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP浓度低时浓度低时（（三三））CAP的正性调节的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP 当培养基中当培养基中乳糖浓度降低乳糖浓度降低而而葡萄糖浓度升高葡萄糖浓度升高时时 细胞中细胞中cAMPcAMP浓度降低浓度降低 缺乏乳糖与阻遏蛋白结合缺乏乳糖与阻遏蛋白结合 CAPCAP失活失活 阻抑蛋白与操纵基因结合阻抑蛋白与操纵基因结合 CAPCAP及及RNARNA聚合酶不能与启动基因结合聚合酶不能与启动基因结合 基因转录基因转录被阻遏被阻遏 阻遏蛋白的负性调节阻遏蛋白的负性调节 当培养基中当培养基中乳糖浓度升高乳糖浓度升高而而葡萄糖浓度降低葡萄糖浓度降低时时 细胞中细胞中cAMPcAMP浓度升高浓度升高 乳糖作为诱导剂与阻抑蛋白结合乳糖作为诱导剂与阻抑蛋白结合 cAMPcAMP与与CAPCAP结合并使之激活结合并使之激活 促使阻抑蛋白与操纵基因分离促使阻抑蛋白与操纵基因分离 CAPCAP与启动基因结合并促使与启动基因结合并促使RNARNA聚合酶与启动基因结合聚合酶与启动基因结合 基因转录基因转录激活激活 CAPCAP的正性调节的正性调节 （（四四））协调调节协调调节※当阻遏蛋白封闭转录时，当阻遏蛋白封闭转录时，CAP不发挥作用；不发挥作用；※如如无无CAP存存在在，，即即使使无无阻阻遏遏蛋蛋白白与与操操纵纵序序列列结合，操纵子仍无转录活性。
结合，操纵子仍无转录活性单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若若有有葡葡萄萄糖糖或或葡葡萄萄糖糖/乳乳糖糖共共同同存存在在时时，，细细菌首先利用葡萄糖菌首先利用葡萄糖葡葡萄萄糖糖对对 lac 操操纵纵子子的的阻阻遏遏作作用用称称分分解解代代谢阻遏谢阻遏(catabolic repression) 操纵子的分类v操纵子主要见于原核生物的转录调控，分为乳糖操纵子、阿拉伯糖操纵子、组氨酸操纵子、色氨酸操纵子等 阿拉伯糖操纵子 ara operon 阿拉伯糖操纵子是指令合成糖分解代谢所需酶系的操纵子，它具有正、负调节的功能 结构和功能结构和功能阿拉伯糖的代谢是由araB、araA和araD基因所编码的三种酶的催化的v 其特点是：（1）AraC蛋白是双功能的，单纯的C蛋白结于araO1(-100～-144)，起到阻遏的作用；当C蛋白和诱导物Ara结合形成的复合体是Cind，， 即诱导型的C蛋白，它结合于araI区（-40～-78）使RNA Pol结合于PBAD位点（+140），转录B、A、D三个基因；（2）C蛋白结合araO1时也反馈性地阻遏了其本身的表达；（3）C蛋白的两种状态（Cind和Crep）功能不同，结合的位点也不同Cind结合于araI；Crep可结合于araO1和araO2；（4）ara操纵子的C蛋白还可以调节分散的基因araE和F，因此此转录单位也称调节子（regulon）；（5）本操纵子有两个启动子Pc和PBAD，可以双向转录；（6）Pc启动子和araO1重叠。
v调控调控 当Glu和Ara都存在时，C本底转录，产生少量的C蛋白，结合于araO1（-106~-144）,使RNA聚酶不能结合araPC，使araC的转录受到阻遏 v 当有Ara存在，而没有Glu时，Ara可作为糖源此时Ara和少量的C蛋白结合形成了诱导型的C蛋白—Cind,它作为正调控因子结合于araI，促进了araPBAD的转录，产生了3种酶，促使Ara分解； v 当Ara不存在或者用过完了，过量的C蛋白可以结合则araO1上，阻碍RNA聚合酶在此区域结合，从而关闭了操纵子；或者结合到araI（-40~-78）和araO2上，彼此相互作用形成了环，阻遏了PBAD和PC的启动 mRNA低半乳糖时低半乳糖时高半乳糖时高半乳糖时 葡萄糖低葡萄糖低 cAMP浓度高浓度高 葡萄糖高葡萄糖高cAMP浓度低浓度低RNA-polOOOO 二、色氨酸操纵子的调节机制二、色氨酸操纵子的调节机制 v色氨酸操纵子色氨酸操纵子（（trp operontrp operon））：：v阻遏型操纵子；阻遏型操纵子；v主要参与调控一系列用于色氨酸合成代谢的酶蛋白主要参与调控一系列用于色氨酸合成代谢的酶蛋白的转录合成。
的转录合成v当细胞内当细胞内缺乏缺乏色氨酸时，此操纵子色氨酸时，此操纵子开放开放；；v而当细胞内合成的色氨酸而当细胞内合成的色氨酸过多过多时，此操纵子被时，此操纵子被关闭关闭。