乳糖操纵子（精制医学）

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1、第七章第七章 原核基因表达调控原核基因表达调控主讲人：徐飞主讲人：徐飞武汉生物工程学院武汉生物工程学院 生命科学与技术学院生命科学与技术学院1精制类 本章内容本章内容l原核基因表达调控的总论原核基因表达调控的总论l乳糖操纵子与负控诱导系统乳糖操纵子与负控诱导系统l色氨酸操纵子与负控阻遏系统色氨酸操纵子与负控阻遏系统l其他操纵子其他操纵子l固氮基因调控固氮基因调控l转录水平上的其他调控方式转录水平上的其他调控方式l转录后调控转录后调控重点重点重点重点2精制类基因表达基因表达= =基因转录基因转录+ +翻译翻译基因表达的调控基因表达的调控: : 生物体生物体随时调整不同基因的表达状态随时调整不同基

2、因的表达状态, ,以适应环境以适应环境、维持生长维持生长和和发育发育需要。需要。 什么是基因表达与什么是基因表达与调控？控？7.1 7.1 基因表达调控总论基因表达调控总论3精制类面对恶劣环境，面对恶劣环境， 适者生存。适者生存。4精制类 基因表达调控的生物学意基因表达调控的生物学意义义适应环境、维持生长和增殖适应环境、维持生长和增殖适应环境、维持生长和增殖适应环境、维持生长和增殖（原核、真核）（原核、真核）（原核、真核）（原核、真核）维持个体发育与分化维持个体发育与分化维持个体发育与分化维持个体发育与分化（真核）（真核）（真核）（真核）了解生物生长发育规律、形态结构特征和生物学功了解生物生长

3、发育规律、形态结构特征和生物学功了解生物生长发育规律、形态结构特征和生物学功了解生物生长发育规律、形态结构特征和生物学功能能能能。5精制类n基基基基因因因因转转转转录录录录及及及及翻翻翻翻译译译译的的的的过过过过程程程程，从从从从DNADNADNADNA到到到到蛋蛋蛋蛋白白白白质质质质或或或或功功功功能能能能RNARNARNARNA的的的的过过过过程程程程称称称称为为为为基基基基因因因因表表表表达达达达，对对对对这这这这个个个个过过过过程程程程的的的的调调调调节节节节就就就就称为表达调控。称为表达调控。称为表达调控。称为表达调控。注注意意：rRNArRNA、tRNAtRNA编编码码基基因因转转

4、录录合合成成RNARNA的的过过程程也也属于基因表达。属于基因表达。（1 1）基因表达调控的概念）基因表达调控的概念6精制类l同同一一细细胞胞内内，有有的的基基因因表表达达高高，有有的的表表达达量量低低，甚甚至不表达。至不表达。l不同的组织器官，基因表达数目及表达量不同不同的组织器官，基因表达数目及表达量不同。l同一基因在不同组织器官中表达量也不相同。同一基因在不同组织器官中表达量也不相同。l仅仅少少部部分分基基因因在在不不同同细细胞胞类类型型及及生生长长发发育育时时期期表表达达相相同同，这这类类基基因因被被称称为为组组成成性性表表达达基基因因，或或被被称称为为管家基因管家基因。l与与细细胞胞

5、分分化化，组组织织、器器官官及及生生物物体体适适应应环环境境所所需需而而表表达达的的基基因因，被被称称为为适适应应性性表表达达基基因因，或或被被称称为为奢奢侈基因侈基因。（2）基因表达模式）基因表达模式7精制类l基因水平的调控基因水平的调控l转录水平的调控转录水平的调控l转录产物加工的调控转录产物加工的调控l翻译水平的调控以及翻译后翻译水平的调控以及翻译后的加工等的加工等转录水平调控转录后水平调控（3 3）基因的表达调控方式）基因的表达调控方式8精制类原核生物与真核生物原核生物与真核生物转录及翻及翻译调控的控的总体特征体特征原核生物原核生物-营养和环境营养和环境真核生物真核生物-激素水平和发育

6、阶段激素水平和发育阶段9精制类根据调控机制：根据调控机制：7.1.1 7.1.1 原核基因表达调控分类原核基因表达调控分类负转录调控控正正转录调控控调节基因编码阻遏蛋白，调节基因编码阻遏蛋白，阻止结构基因转录。阻止结构基因转录。调节基因编码激活蛋白，调节基因编码激活蛋白，促进结构基因转录。促进结构基因转录。正控正控诱导正控阻遏正控阻遏负控控诱导负控阻遏控阻遏10精制类几个重要概念几个重要概念n结构基因与调节基因结构基因与调节基因n阻遏物、操纵基因与操纵子阻遏物、操纵基因与操纵子n正调控与负调控正调控与负调控n诱导与阻遏诱导与阻遏n顺式作用元件与反式作用因子顺式作用元件与反式作用因子启动子启动子

7、启动子启动子操纵序列操纵序列多个结构基因多个结构基因终止子终止子终止子终止子调节基因调节基因调节基因调节基因11精制类l 结构基因（结构基因（structural gene） 编码编码各类具有不同结构和功能的蛋白质和各类具有不同结构和功能的蛋白质和RNA的基因的基因。1. 结构基因与构基因与调节基因基因启动子启动子启动子启动子操纵序列操纵序列多个结构基因多个结构基因终止子终止子终止子终止子调节基因调节基因调节基因调节基因RNAPro12精制类l调节基因调节基因（regulator gene） 编码编码蛋白质或蛋白质或RNA来调节其他基因表达的来调节其他基因表达的基因。基因。1. 结构基因与构基

8、因与调节基因基因启动子启动子启动子启动子操纵序列操纵序列多个结构基因多个结构基因终止子终止子终止子终止子调节基因调节基因调节基因调节基因13精制类n阻阻遏遏物物（repressor）:阻阻止止基基因因表表达达的的蛋蛋白白质质，可可与与操操纵纵基基因因结结合合来来阻阻止止转转录录或或结结合合RNA来来阻阻止止蛋蛋白白质质的翻译。的翻译。n操操纵纵基基因因（operator）: DNA上上的的一一个个位位点点，阻阻遏遏物物能与之结合抑制相邻启动子起始转录能与之结合抑制相邻启动子起始转录。n操操纵纵子子（operon）:细细菌菌基基因因表表达达和和调调控控的的单单位位，包包括括结结构构基基因因和和能

9、能被被调调控控基基因因产产物物识识别别的的 DNA控控制制元元件。件。2. 阻遏物、操纵基因与操纵子阻遏物、操纵基因与操纵子14精制类p 正调控（正调控（positive control）: 调节基因调节基因编码编码的激活因子通过与启动子元件结合来的激活因子通过与启动子元件结合来促进基促进基因的表达因的表达。p负调控（负调控（negative control）:调节基因调节基因编码阻编码阻抑因子与操纵基因结合来抑因子与操纵基因结合来阻止基因的表达阻止基因的表达。3. 正正调控与控与负调控控15精制类l 诱导诱导 (induction)： 通通过过小小分分子子诱诱导导物物参参与与, 使使阻阻抑抑

10、物物失失活活或或活活化激活剂化激活剂来实现对基因或操纵子表达的调控来实现对基因或操纵子表达的调控 。l 阻遏阻遏(repression): 通通过过小小分分子子辅辅阻阻遏遏物物参参与与，使使激激活活剂剂失失活活或或活活化化阻阻抑抑物物来来实实现现基基因因或或操操纵纵子子不不表表达达的的调调控。控。4. 诱导与阻遏与阻遏16精制类u 顺式作用元件（顺式作用元件（cis-acting element）: 指指与与结结构构基基因因串串联联的的特特定定DNADNA序序列列，包包括括启启动动子子、增增强强子子、调调控控序序列列和和可可诱诱导导元元件件等等；顺顺式式作作用用元元件件要要与与反式作用因子相互

11、作用而起作用反式作用因子相互作用而起作用。u 反式作用因子（反式作用因子（trans-acting factor）: 指指能能直直接接或或间间接接地地识识别别或或结结合合在在各各类类顺顺式式作作用用元元件件核核心心序序列列上上，参参与与调调控控靶靶基基因因转转录录效效率率的的蛋蛋白白质质（有有时时为为RNA）。）。也称转录因子也称转录因子。5. 顺式作用元件与反式作用因子式作用元件与反式作用因子17精制类基因表达的调控方式基因表达的调控方式 阻遏阻遏负调控负调控: :调控蛋白调控蛋白+ +DNA序列序列 基因的表达基因的表达 ( (相应蛋白质相应蛋白质降低降低) ) 促进促进正调控正调控: :

12、调控蛋白调控蛋白+ +DNA序列序列 基因的表达基因的表达 ( (相应蛋白质相应蛋白质增加增加) )阻遏蛋白阻遏蛋白激活蛋白激活蛋白18精制类n 负转录调控负转录调控负转录调控负转录调控 没有调节蛋白质存在时基因是没有调节蛋白质存在时基因是没有调节蛋白质存在时基因是没有调节蛋白质存在时基因是 的，加入的，加入的，加入的，加入调节蛋白质后基因表达活性便被调节蛋白质后基因表达活性便被调节蛋白质后基因表达活性便被调节蛋白质后基因表达活性便被 ，为负转录，为负转录，为负转录，为负转录调控。调控。调控。调控。n 正转录调控正转录调控正转录调控正转录调控 没有调节蛋白质存在时基因是（关闭没有调节蛋白质存在

13、时基因是（关闭没有调节蛋白质存在时基因是（关闭没有调节蛋白质存在时基因是（关闭/ / / /开启）的，开启）的，开启）的，开启）的，加入这种调节蛋白质后基因活性就被（关闭加入这种调节蛋白质后基因活性就被（关闭加入这种调节蛋白质后基因活性就被（关闭加入这种调节蛋白质后基因活性就被（关闭/ / / /开启），开启），开启），开启），为正转录调控。为正转录调控。为正转录调控。为正转录调控。开启开启关闭关闭19精制类n负转录调控分类负转录调控分类: :负控诱导负控诱导负控阻碍负控阻碍阻遏蛋白阻止基因阻遏蛋白阻止基因转录，与效，与效应物物结合后基因表达合后基因表达阻遏蛋白无活性，与效阻遏蛋白无活性，与效

14、应物物结合后合后阻止基因阻止基因转录n正转录调控分类正转录调控分类: :正控诱导正控诱导正控阻碍正控阻碍激活蛋白与效激活蛋白与效应物物结合后激活基因合后激活基因转录激活蛋白与效激活蛋白与效应物物结合后阻遏基因合后阻遏基因转录20精制类基因基因表达表达调控调控4种种模型模型负控诱导正控诱导负控阻遏正控阻遏21精制类7.1.2 原核生物表达调控的原核生物表达调控的主要特点主要特点1 1 1 1、可诱导调节、可诱导调节、可诱导调节、可诱导调节2 2 2 2、可阻遏调节、可阻遏调节、可阻遏调节、可阻遏调节22精制类定义：指一些基因在特殊的定义：指一些基因在特殊的定义：指一些基因在特殊的定义：指一些基因

15、在特殊的代谢物或化合物的作代谢物或化合物的作代谢物或化合物的作代谢物或化合物的作用下用下用下用下，由原来关闭的状态转变为工作状态由原来关闭的状态转变为工作状态由原来关闭的状态转变为工作状态由原来关闭的状态转变为工作状态，即在，即在，即在，即在某些物质的诱导下某些物质的诱导下某些物质的诱导下某些物质的诱导下使基因活化使基因活化使基因活化使基因活化。 例：例：例：例：大肠杆菌的乳糖操纵子大肠杆菌的乳糖操纵子大肠杆菌的乳糖操纵子大肠杆菌的乳糖操纵子 分解代谢蛋白的基因分解代谢蛋白的基因可可诱导调节23精制类定义：基因平时是开启的，处在产生蛋白质或酶定义：基因平时是开启的，处在产生蛋白质或酶定义：基因

16、平时是开启的，处在产生蛋白质或酶定义：基因平时是开启的，处在产生蛋白质或酶的工作过程中，的工作过程中，的工作过程中，的工作过程中，由于一些特殊代谢物或化合物的由于一些特殊代谢物或化合物的由于一些特殊代谢物或化合物的由于一些特殊代谢物或化合物的积累而将其关闭积累而将其关闭积累而将其关闭积累而将其关闭，阻遏了基因的表达阻遏了基因的表达阻遏了基因的表达阻遏了基因的表达。 例：色氨酸操纵子例：色氨酸操纵子例：色氨酸操纵子例：色氨酸操纵子 合成代谢蛋白的基因合成代谢蛋白的基因合成代谢蛋白的基因合成代谢蛋白的基因可阻遏可阻遏调节24精制类7.1.3 7.1.3 弱化子对基因活性的影响弱化子对基因活性的影响

17、弱化子对基因活性的影响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大肠杆菌的色氨酸操纵子和苯丙氨酸大肠杆菌的色氨酸操纵子和苯丙氨酸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。操纵子具有这种调节方式。操纵子具有这种调节方式。操纵子具有这种调节方式。25精制类 在在在在含含含含葡葡葡葡萄萄萄萄糖糖糖糖和和和和乳乳乳乳糖糖糖糖的的的的培培培培养养养养基基基基上上上上，在在在在葡葡葡葡萄萄萄萄糖糖糖糖没没没没有有有有被被被被利利利利用用用用完完完完之之之之前前前前，乳乳乳乳糖糖糖糖操操操操纵纵纵纵子子子子就就就就一一一一直直直直被被被被阻阻阻阻遏遏遏遏，乳乳乳乳糖糖糖糖不不不不

18、能被利用；能被利用；能被利用；能被利用； 直直直直到到到到葡葡葡葡萄萄萄萄糖糖糖糖被被被被利利利利用用用用完完完完后后后后，乳乳乳乳糖糖糖糖操操操操纵纵纵纵子子子子才才才才进进进进行行行行转转转转录，形成利用乳糖的酶。录，形成利用乳糖的酶。录，形成利用乳糖的酶。录，形成利用乳糖的酶。 7.1.4 7.1.4 降解物对基因活性的调节降解物对基因活性的调节降解物对基因活性的调节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例如：葡萄糖阻遏或分解代谢产生阻遏例如：葡萄糖阻遏或分解代谢产生阻遏例如：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，作用。葡萄糖或某些容易利用的碳

19、源，作用。葡萄糖或某些容易利用的碳源，作用。葡萄糖或某些容易利用的碳源，其分解代谢产其分解代谢产其分解代谢产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物阻遏某些诱导酶体系编码的基因转录的现象物阻遏某些诱导酶体系编码的基因转录的现象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。乳糖操纵子具有这种调节方式。乳糖操纵子具有这种调节方式。乳糖操纵子具有这种调节方式。基本原理基本原理26精制类7.1.5 7.1.5 细菌的应急反应细菌的应急反应细菌的应急反应细菌的应急反应信号：信号：信号：信号： 鸟鸟鸟鸟苷苷苷苷四四四四磷磷磷磷酸酸酸酸ppGpp, ppGpp, 会会

20、会会关关关关闭闭闭闭很很很很多多多多基基基基因因因因，同同同同时时时时也会激活一些应急基因也会激活一些应急基因也会激活一些应急基因也会激活一些应急基因。27精制类小结小结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作业：简述基因表达调控的几种方式？作业：简述基因表达调控的几种方式？作业：简述基因表达调控的几种方式？作业：简述基因表达调控的几种方式？28精制类7.2 7.2 乳糖操纵子与负控诱导乳糖操纵子与负控诱导 内容提要：内容提要：内容提要：内容提要：l乳糖操纵子的结构乳糖操纵子的结构乳糖操纵子的结构乳糖操纵子的结构l酶的诱导酶的诱导酶的诱导酶的诱导laclac体系受调控的证据体

21、系受调控的证据体系受调控的证据体系受调控的证据l乳糖操纵子调控模型及其影响因子乳糖操纵子调控模型及其影响因子乳糖操纵子调控模型及其影响因子乳糖操纵子调控模型及其影响因子lLacLac操纵子中的其他问题操纵子中的其他问题操纵子中的其他问题操纵子中的其他问题29精制类 操纵子：操纵子：操纵子：操纵子： 是原核生物基因表达调控的一种重要组织形式。是原核生物基因表达调控的一种重要组织形式。是原核生物基因表达调控的一种重要组织形式。是原核生物基因表达调控的一种重要组织形式。 原原原原核核核核生生生生物物物物中中中中几几几几个个个个功功功功能能能能相相相相关关关关的的的的结结结结构构构构基基基基因因因因成

22、成成成簇簇簇簇串串串串联联联联排列排列排列排列组成的一个基因表达的协同单位。组成的一个基因表达的协同单位。组成的一个基因表达的协同单位。组成的一个基因表达的协同单位。操纵子调控模型操纵子调控模型30精制类l19611961年，年，MonodMonod和和JacobJacob提出了操纵子模型学说。提出了操纵子模型学说。l获获19651965年诺贝尔生理学年诺贝尔生理学和医学奖和医学奖Monod and Jacob操纵子调控模型的提出操纵子调控模型的提出31精制类l乳糖操纵子的结构乳糖操纵子的结构3 3个结构基因个结构基因启启动子子操操纵区区调节基因基因阻遏物阻遏物32精制类pZ Z Z Z基基基

23、基因因因因：编编编编码码码码-半半半半乳乳乳乳糖糖糖糖苷苷苷苷酶酶酶酶。将将将将乳乳乳乳糖糖糖糖水水水水解解解解成成成成葡葡葡葡萄萄萄萄糖糖糖糖和半乳糖。和半乳糖。和半乳糖。和半乳糖。pY Y Y Y基基基基因因因因：编编编编码码码码-半半半半乳乳乳乳糖糖糖糖苷苷苷苷透透透透过过过过酶酶酶酶。使使使使外外外外界界界界的的的的-半半半半乳乳乳乳糖糖糖糖苷苷苷苷（如如如如乳乳乳乳糖糖糖糖）能能能能透透透透过过过过大大大大肠肠肠肠杆杆杆杆菌菌菌菌细细细细胞胞胞胞壁壁壁壁和和和和原原原原生生生生质质质质膜进入细胞内膜进入细胞内膜进入细胞内膜进入细胞内。pA A A A基基基基因因因因：编编编编码码码码

24、-半半半半乳乳乳乳糖糖糖糖苷苷苷苷乙乙乙乙酰酰酰酰基基基基转转转转移移移移酶酶酶酶。乙乙乙乙酰酰酰酰辅辅辅辅酶酶酶酶A A A A上的乙酰基转到上的乙酰基转到上的乙酰基转到上的乙酰基转到-半乳糖苷上，形成半乳糖苷上，形成半乳糖苷上，形成半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖乙酰半乳糖乙酰半乳糖乙酰半乳糖。结构基因的功能构基因的功能33精制类7.2.1 7.2.1 酶的诱导酶的诱导laclac体系受调控的证据体系受调控的证据加入乳糖加入乳糖加入乳糖加入乳糖 去掉乳糖去掉乳糖去掉乳糖去掉乳糖34精制类小知小知识1、添添加加乳乳糖糖后后，lac mRNA含含量量快快速速上上升升。相相反反，去去掉掉乳乳糖糖后后，

25、lac mRNA含含量量快快速速下下降降到到几几乎乎无无法法检检测测到的水平到的水平，表明乳糖能激发表明乳糖能激发lac mRNA的合成的合成。2、在在有有葡葡萄萄糖糖和和乳乳糖糖同同时时存存在在时时，细细菌菌优优先先利利用用葡葡萄糖萄糖。35精制类安慰诱导物：安慰诱导物：安慰诱导物：安慰诱导物： 事实上，研究诱导作用很少直接使用乳糖。事实上，研究诱导作用很少直接使用乳糖。 如如果果某某种种物物质质能能够够促促使使细细菌菌产产生生酶酶而而本本身身又又不不被被分分解解，这这种种物物质质被被称称为为安安慰慰诱诱导导物物，如如：IPTGIPTG（异丙基异丙基- -D-D-硫代半乳糖苷硫代半乳糖苷）。

26、）。36精制类-半乳糖苷酶半乳糖苷酶半乳糖苷酶半乳糖苷酶结合结合结合结合laclac阻遏物阻遏物阻遏物阻遏物别乳糖乳糖IPTG不是半乳糖苷不是半乳糖苷酶可切可切割的底物割的底物IPTG37精制类PIOPLacILacZLacYLacAConstitutive expressmRNAGene : OFFNo mRNA productsrepressorLac operon #37.2.2 乳糖操纵子调控模型乳糖操纵子调控模型38精制类Negative regulation of lac operonPIOPLacILacZLacYLacAConstitutive expressmRNAGene

27、: ONmRNA product-GalactosidasePermease Transacetylase Iso-lactoseRNA polymeraseIso-lactose39精制类乳糖操纵子调控模型特点乳糖操纵子调控模型特点主要内容：主要内容：主要内容：主要内容： Z Z、Y Y、A A基基基基因因因因的的的的产产产产物物物物由由由由同同同同一一一一条条条条多多多多顺顺顺顺反反反反子子子子的的的的mRNAmRNA分子所编码。分子所编码。分子所编码。分子所编码。 40精制类 mRNAmRNA分分分分子子子子的的的的启启启启动动动动子子子子紧紧紧紧接接接接着着着着O O区区区区，而而而而

28、位位位位于于于于I I与与与与O O之之之之间间间间的的的的启启启启动动动动子子子子区区区区（P P），不不不不能能能能单单单单独独独独起起起起动动动动合合合合成成成成-半半半半乳乳乳乳糖糖糖糖苷酶和透过酶的生理过程。苷酶和透过酶的生理过程。苷酶和透过酶的生理过程。苷酶和透过酶的生理过程。41精制类 操操操操纵纵纵纵基基基基因因因因是是是是DNADNA上上上上的的的的一一一一小小小小段段段段序序序序列列列列（仅仅仅仅为为为为26bp26bp），是阻遏物的结合位点。是阻遏物的结合位点。是阻遏物的结合位点。是阻遏物的结合位点。42精制类LacLacLacLac操纵子的起点处的抑制子和操纵子的起点处

29、的抑制子和操纵子的起点处的抑制子和操纵子的起点处的抑制子和RNARNARNARNA聚合酶位点重合聚合酶位点重合聚合酶位点重合聚合酶位点重合RNARNA聚合酶结合部位聚合酶结合部位聚合酶结合部位聚合酶结合部位阻遏物结合部位阻遏物结合部位阻遏物结合部位阻遏物结合部位43精制类 当阻遏物与操纵基因结合时当阻遏物与操纵基因结合时当阻遏物与操纵基因结合时当阻遏物与操纵基因结合时，lac mRNAlac mRNA的转录的转录的转录的转录 起始受到抑制。起始受到抑制。起始受到抑制。起始受到抑制。44精制类诱诱诱诱导导导导物物物物通通通通过过过过与与与与阻阻阻阻遏遏遏遏物物物物结结结结合合合合，改改改改变变变

30、变它它它它的的的的三三三三维维维维构构构构象象象象，使使使使之之之之不不不不能能能能与与与与操操操操纵纵纵纵基基基基因因因因结结结结合合合合，从从从从而而而而激激激激发发发发lac lac mRNAmRNA的的的的合成。合成。合成。合成。 当当当当有有有有诱诱诱诱导导导导物物物物存存存存在在在在时时时时，操操操操纵纵纵纵基基基基因因因因区区区区没没没没有有有有被被被被阻阻阻阻遏遏遏遏物物物物占占占占据据据据，所所所所以以以以启启启启动动动动子子子子能能能能够够够够顺顺顺顺利利利利起起起起始始始始mRNAmRNA的的的的合成。合成。合成。合成。45精制类46精制类laclaclaclac操纵子操

31、纵子操纵子操纵子影响因子影响因子1 1 1 1、laclaclaclac操纵子的本底水平表达操纵子的本底水平表达操纵子的本底水平表达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：有两个矛盾是操纵子理论不能解释的：有两个矛盾是操纵子理论不能解释的：有两个矛盾是操纵子理论不能解释的：阻阻阻阻遏遏遏遏物物物物在在在在细细细细胞胞胞胞内内内内，诱诱诱诱导导导导物物物物在在在在细细细细胞胞胞胞外外外外。因因因因此此此此，诱诱诱诱导导导导物物物物需需需需要要要要穿穿穿穿过过过过细细细细胞胞胞胞膜膜膜膜才才才才能能能能与与与与阻阻阻阻遏遏遏遏物物物物结结结结合合合合，而而而而转转转转运运运运诱诱诱诱

32、导导导导物物物物需要透过需要透过需要透过需要透过酶的存在（酶的存在（酶的存在（酶的存在（Y Y Y Y基因编码）。基因编码）。基因编码）。基因编码）。Lac47精制类laclaclaclac操纵子操纵子操纵子操纵子影响因子影响因子1 1 1 1、laclaclaclac操纵子的本底水平表达操纵子的本底水平表达操纵子的本底水平表达操纵子的本底水平表达第二个矛盾第二个矛盾第二个矛盾第二个矛盾：真真真真正正正正的的的的诱诱诱诱导导导导物物物物是是是是异异异异构构构构乳乳乳乳糖糖糖糖（也也也也称称称称别别别别乳乳乳乳糖糖糖糖）而而而而非非非非乳乳乳乳糖糖糖糖，前前前前者者者者是是是是在在在在- - -

33、 -半半半半乳乳乳乳糖糖糖糖甘甘甘甘酶酶酶酶（Z Z Z Z基基基基因因因因编编编编码码码码）的的的的催催催催化化化化下下下下由由由由乳乳乳乳糖糖糖糖形形形形成成成成的的的的，因因因因此此此此，需需需需要要要要有有有有- - - -半半半半乳乳乳乳糖糖糖糖甘甘甘甘酶酶酶酶的的的的预预预预先先先先存在存在存在存在。Lac别乳糖别乳糖48精制类吸收进入细胞吸收进入细胞培养基中的乳糖培养基中的乳糖在胞内：转化为异构乳糖在胞内：转化为异构乳糖透过性酶透过性酶- -半乳糖苷酶半乳糖苷酶鸡鸡 - 蛋矛盾蛋矛盾乳糖操纵子活化，基因表达乳糖操纵子活化，基因表达49精制类解释：PIOPLacILacZLacYL

34、acA泄露表达（泄露表达（Leaky Expression）： 没有乳糖存在时，阻遏蛋白偶然脱落，使没有乳糖存在时，阻遏蛋白偶然脱落，使下游结构基因保持本底表达。所以，细胞内含下游结构基因保持本底表达。所以，细胞内含有极少量的基因表达产物。这些产物足以运送有极少量的基因表达产物。这些产物足以运送少量的外源乳糖进入细胞。少量的外源乳糖进入细胞。 当乳糖成为唯一碳源时，当乳糖成为唯一碳源时，起初本底表达的产物使少量的起初本底表达的产物使少量的乳糖进入细胞，并被转化成异乳糖进入细胞，并被转化成异构乳糖，获得真正的诱导物。构乳糖，获得真正的诱导物。 异构乳糖诱导下游结构基因高异构乳糖诱导下游结构基因高

35、效表达，使基因产物大量合成；导效表达，使基因产物大量合成；导致运送大量的乳糖进入细胞，一方致运送大量的乳糖进入细胞，一方面分解产能，另一方面转化为异构面分解产能，另一方面转化为异构乳糖维持基因的持续表达。乳糖维持基因的持续表达。50精制类RepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveCAPLacRepressorRepressorRNAPol.RNAPol.Great, I can transcribe!Some transcription occurs

36、, but at a slow rateThis lactose has bent me out of shapeLac操纵子操纵子阻遏物泄漏表达阻遏物泄漏表达51精制类3 3 3 3、阻遏物、阻遏物、阻遏物、阻遏物 lac I lac I 基因产物及功能基因产物及功能基因产物及功能基因产物及功能 研研究究表表明明，LacI LacI LacI LacI 操操操操纵纵纵纵子子子子阻阻阻阻遏遏遏遏物物物物mRNAmRNA是是是是由由由由弱弱弱弱启启启启动动动动子子子子控控控控制制制制下下下下组组组组成成成成型型型型合合合合成成成成的的的的，每每每每个个个个细细细细胞胞胞胞中中中中有有有有5-10

37、5-10个个个个阻阻阻阻遏遏遏遏物物物物分子。分子。分子。分子。 当当当当 I I 基基基基因因因因由由由由弱弱弱弱启启启启动动动动子子子子突突突突变变变变成成成成强强强强启启启启动动动动子子子子，细细细细胞胞胞胞内内内内就就就就不不不不可可可可能能能能产产产产生生生生足足足足够够够够的的的的诱诱诱诱导导导导物物物物来来来来克克克克服服服服阻阻阻阻遏遏遏遏状状状状态态态态，整整整整个个个个laclac操纵子在这些突变体中就不可诱导。操纵子在这些突变体中就不可诱导。操纵子在这些突变体中就不可诱导。操纵子在这些突变体中就不可诱导。52精制类Lac阻抑物的结构特征阻抑物的结构特征53精制类N end

38、C end54精制类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 55精制类4 4 4 4、葡萄糖对、葡萄糖对、葡萄糖对、葡萄糖对laclaclaclac操纵子的影响操纵子的影响操纵子的影响操纵子的影响 如果将葡萄糖和乳糖同时加入培养基中，如果

39、将葡萄糖和乳糖同时加入培养基中，如果将葡萄糖和乳糖同时加入培养基中，如果将葡萄糖和乳糖同时加入培养基中， laclac操纵子处于阻遏状态，不能被诱导；操纵子处于阻遏状态，不能被诱导；操纵子处于阻遏状态，不能被诱导；操纵子处于阻遏状态，不能被诱导；一旦耗尽一旦耗尽外源葡萄糖，乳糖就会诱导外源葡萄糖，乳糖就会诱导laclac操纵子表达分解乳操纵子表达分解乳糖所需的三种酶。糖所需的三种酶。 代谢物阻遏效应代谢物阻遏效应代谢物阻遏效应代谢物阻遏效应56精制类葡萄糖存在葡萄糖存在，乳糖不存在的情况乳糖不存在的情况RepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindin

40、gRNAPol.RepressorRepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveCome on, let me throughNo wayJose!CAPLac操纵子操纵子57精制类RepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveCAPLacRepressorRepressorThis lactose has bent me out of shapeRNAPol.Lac操纵子操纵子葡萄糖和乳糖都存在的情况Gr

41、eat, I can transcribe!58精制类RepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorThis lactose has bent me out of shapeCAPcAMPCAPcAMPBind to mePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yipee!乳糖存在但是葡萄糖不存在的情况Lac操纵子操纵子59精制类RepressorPromoterLacYLacALacZOp

42、eratorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBind to mePolymeraseRNAPol.RepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveRepressorSTOPRight therePolymeraseAlright, Im off to the races . . .Come on, let me through!葡萄糖和乳糖都不存在的情况Lac操纵子操纵子60精制类乳糖操纵子的正调控 CAP-cAMP61精制类 cAMP含含量量与与葡葡萄萄糖糖的的分分解解代代谢谢有有关关，当当细细菌菌利利用用葡葡萄萄糖

43、糖供供给给能能量量时时，cAMP含含量量降降低低；无无葡葡萄萄糖糖时时，cAMP含量升高含量升高。 cAMP与与CRP结结合合变变为为CAP，并并以以二二聚聚体体的的方方式式与与特特定的定的DNA序列结合。序列结合。62精制类小知小知识CRP和CAP的概念混用lCRP ：cAMP receptor protein (cAMP受体蛋白受体蛋白) 又称又称CAP: Catabolite activator protein (降解物激活蛋白降解物激活蛋白)glucoseCRP-cAMPCRPcAMP63精制类cAMP含量与葡萄糖的关系含量与葡萄糖的关系64精制类p CAP与与DNA位点结合后，造成模

44、板位点结合后，造成模板DNA发生大于发生大于90度弯曲有利于转录起始。度弯曲有利于转录起始。CRP-cAMPCRP-cAMP 与与结结合合位位点点 结结 合合 后后 ， 增增 强强 了了RNARNA聚聚合合酶酶与与启启动动子子的的结结合合力力，使使转转录录效效率提高率提高5050倍倍。65精制类ZYAOPI 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 Z： -半乳糖苷酶半乳糖苷酶半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y Y： 透过酶透过酶透过酶透过酶A A：乙酰基转移酶：乙酰基转移酶：乙酰基转移酶：乙酰基转移酶如如无无CAP存存在在，即即使使没没有有阻阻遏遏蛋蛋白白与

45、与操操纵纵序序列列结结合合，操操纵纵子子仍仍无无转转录录活活性性。 cAMPCAP复复合合物物与与启启动动子子区的结合是转录起始所必需的。区的结合是转录起始所必需的。66精制类 当阻遏蛋白封闭转录时，即使有当阻遏蛋白封闭转录时，即使有CAPCAP存在，存在，操纵子也不会启动转录。操纵子也不会启动转录。 同样，同样，因因此此，CAP的的正正调控控与与Lac I负控控诱导是是协同作用的关系。同作用的关系。67精制类小结小结68精制类本节完本节完乳糖操纵子的结构特点乳糖操纵子的负调诱导cAMP-CRP对乳糖操纵子的正调控阻遏物对调节基因的影响作业：简述乳糖操纵子的调控模型？作业：简述乳糖操纵子的调控模型？作业：简述乳糖操纵子的调控模型？作业：简述乳糖操纵子的调控模型？69精制类