第七章乳糖操縱子

第七章

原核基因表達調(diào)控主講人：徐飛武漢生物工程學(xué)院生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院當前1頁，總共69頁。本章內(nèi)容原核基因表達調(diào)控的總論乳糖操縱子與負控誘導(dǎo)系統(tǒng)色氨酸操縱子與負控阻遏系統(tǒng)其他操縱子固氮基因調(diào)控轉(zhuǎn)錄水平上的其他調(diào)控方式轉(zhuǎn)錄后調(diào)控重點重點當前2頁，總共69頁。基因表達=基因轉(zhuǎn)錄+翻譯基因表達的調(diào)控:

生物體隨時調(diào)整不同基因的表達狀態(tài),以適應(yīng)環(huán)境、維持生長和發(fā)育需要。什么是基因表達與調(diào)控？7.1基因表達調(diào)控總論當前3頁，總共69頁。面對惡劣環(huán)境，

適者生存。當前4頁，總共69頁。

基因表達調(diào)控的生物學(xué)意義

適應(yīng)環(huán)境、維持生長和增殖（原核、真核）維持個體發(fā)育與分化（真核）了解生物生長發(fā)育規(guī)律、形態(tài)結(jié)構(gòu)特征和生物學(xué)功能。當前5頁，總共69頁?；蜣D(zhuǎn)錄及翻譯的過程，從DNA到蛋白質(zhì)或功能RNA的過程稱為基因表達，對這個過程的調(diào)節(jié)就稱為表達調(diào)控。注意：rRNA、tRNA編碼基因轉(zhuǎn)錄合成RNA的過程也屬于基因表達。（1）基因表達調(diào)控的概念當前6頁，總共69頁。同一細胞內(nèi)，有的基因表達高，有的表達量低，甚至不表達。不同的組織器官，基因表達數(shù)目及表達量不同。同一基因在不同組織器官中表達量也不相同。僅少部分基因在不同細胞類型及生長發(fā)育時期表達相同，這類基因被稱為組成性表達基因，或被稱為管家基因。與細胞分化，組織、器官及生物體適應(yīng)環(huán)境所需而表達的基因，被稱為適應(yīng)性表達基因，或被稱為奢侈基因。（2）基因表達模式當前7頁，總共69頁?；蛩降恼{(diào)控轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物加工的調(diào)控翻譯水平的調(diào)控以及翻譯后的加工等轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控（3）基因的表達調(diào)控方式當前8頁，總共69頁。原核生物與真核生物轉(zhuǎn)錄及翻譯調(diào)控的總體特征原核生物-----營養(yǎng)和環(huán)境真核生物-----激素水平和發(fā)育階段當前9頁，總共69頁。根據(jù)調(diào)控機制：原核基因表達調(diào)控分類負轉(zhuǎn)錄調(diào)控正轉(zhuǎn)錄調(diào)控調(diào)節(jié)基因編碼阻遏蛋白，阻止結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄。調(diào)節(jié)基因編碼激活蛋白，促進結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄。正控誘導(dǎo)正控阻遏負控誘導(dǎo)負控阻遏當前10頁，總共69頁。幾個重要概念結(jié)構(gòu)基因與調(diào)節(jié)基因阻遏物、操縱基因與操縱子正調(diào)控與負調(diào)控誘導(dǎo)與阻遏順式作用元件與反式作用因子啟動子操縱序列多個結(jié)構(gòu)基因終止子調(diào)節(jié)基因當前11頁，總共69頁。

結(jié)構(gòu)基因（structuralgene）

編碼各類具有不同結(jié)構(gòu)和功能的蛋白質(zhì)和RNA的基因。1.結(jié)構(gòu)基因與調(diào)節(jié)基因啟動子操縱序列多個結(jié)構(gòu)基因終止子調(diào)節(jié)基因RNAPro當前12頁，總共69頁。調(diào)節(jié)基因（regulatorgene）

編碼蛋白質(zhì)或RNA來調(diào)節(jié)其他基因表達的基因。1.結(jié)構(gòu)基因與調(diào)節(jié)基因啟動子操縱序列多個結(jié)構(gòu)基因終止子調(diào)節(jié)基因當前13頁，總共69頁。阻遏物（repressor）:阻止基因表達的蛋白質(zhì)，可與操縱基因結(jié)合來阻止轉(zhuǎn)錄或結(jié)合RNA來阻止蛋白質(zhì)的翻譯。操縱基因（operator）:DNA上的一個位點，阻遏物能與之結(jié)合抑制相鄰啟動子起始轉(zhuǎn)錄。操縱子（operon）:細菌基因表達和調(diào)控的單位，包括結(jié)構(gòu)基因和能被調(diào)控基因產(chǎn)物識別的DNA控制元件。2.阻遏物、操縱基因與操縱子當前14頁，總共69頁。

正調(diào)控（positivecontrol）:

調(diào)節(jié)基因編碼的激活因子通過與啟動子元件結(jié)合來促進基因的表達。負調(diào)控（negativecontrol）:調(diào)節(jié)基因編碼阻抑因子與操縱基因結(jié)合來阻止基因的表達。3.正調(diào)控與負調(diào)控當前15頁，總共69頁。誘導(dǎo)(induction)：

通過小分子誘導(dǎo)物參與,使阻抑物失活或活化激活劑來實現(xiàn)對基因或操縱子表達的調(diào)控。阻遏(repression):

通過小分子輔阻遏物參與，使激活劑失活或活化阻抑物來實現(xiàn)基因或操縱子不表達的調(diào)控。4.誘導(dǎo)與阻遏當前16頁，總共69頁。

順式作用元件（cis-actingelement）:

指與結(jié)構(gòu)基因串聯(lián)的特定DNA序列，包括啟動子、增強子、調(diào)控序列和可誘導(dǎo)元件等；順式作用元件要與反式作用因子相互作用而起作用。反式作用因子（trans-actingfactor）:

指能直接或間接地識別或結(jié)合在各類順式作用元件核心序列上，參與調(diào)控靶基因轉(zhuǎn)錄效率的蛋白質(zhì)（有時為RNA）。也稱轉(zhuǎn)錄因子。5.順式作用元件與反式作用因子當前17頁，總共69頁?；虮磉_的調(diào)控方式

阻遏負調(diào)控:調(diào)控蛋白+DNA序列基因的表達

(相應(yīng)蛋白質(zhì)降低)

促進正調(diào)控:調(diào)控蛋白+DNA序列基因的表達

(相應(yīng)蛋白質(zhì)增加)阻遏蛋白激活蛋白當前18頁，總共69頁。負轉(zhuǎn)錄調(diào)控

沒有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在時基因是的，加入調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)后基因表達活性便被，為負轉(zhuǎn)錄調(diào)控。

正轉(zhuǎn)錄調(diào)控沒有調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)存在時基因是（關(guān)閉/開啟）的，加入這種調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)后基因活性就被（關(guān)閉/開啟），為正轉(zhuǎn)錄調(diào)控。開啟關(guān)閉當前19頁，總共69頁。負轉(zhuǎn)錄調(diào)控分類:負控誘導(dǎo)負控阻礙阻遏蛋白阻止基因轉(zhuǎn)錄，與效應(yīng)物結(jié)合后基因表達阻遏蛋白無活性，與效應(yīng)物結(jié)合后阻止基因轉(zhuǎn)錄正轉(zhuǎn)錄調(diào)控分類:正控誘導(dǎo)正控阻礙激活蛋白與效應(yīng)物結(jié)合后激活基因轉(zhuǎn)錄激活蛋白與效應(yīng)物結(jié)合后阻遏基因轉(zhuǎn)錄當前20頁，總共69頁?；虮磉_調(diào)控4種模型負控誘導(dǎo)正控誘導(dǎo)負控阻遏正控阻遏當前21頁，總共69頁。原核生物表達調(diào)控的主要特點1、可誘導(dǎo)調(diào)節(jié)2、可阻遏調(diào)節(jié)當前22頁，總共69頁。定義：指一些基因在特殊的代謝物或化合物的作用下，由原來關(guān)閉的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)，即在某些物質(zhì)的誘導(dǎo)下使基因活化。例：大腸桿菌的乳糖操縱子分解代謝蛋白的基因可誘導(dǎo)調(diào)節(jié)當前23頁，總共69頁。定義：基因平時是開啟的，處在產(chǎn)生蛋白質(zhì)或酶的工作過程中，由于一些特殊代謝物或化合物的積累而將其關(guān)閉，阻遏了基因的表達。例：色氨酸操縱子合成代謝蛋白的基因可阻遏調(diào)節(jié)當前24頁，總共69頁。弱化子對基因活性的影響大腸桿菌的色氨酸操縱子和苯丙氨酸操縱子具有這種調(diào)節(jié)方式。當前25頁，總共69頁。

在含葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基上，在葡萄糖沒有被利用完之前，乳糖操縱子就一直被阻遏，乳糖不能被利用；直到葡萄糖被利用完后，乳糖操縱子才進行轉(zhuǎn)錄，形成利用乳糖的酶。降解物對基因活性的調(diào)節(jié)例如：葡萄糖阻遏或分解代謝產(chǎn)生阻遏作用。葡萄糖或某些容易利用的碳源，其分解代謝產(chǎn)物阻遏某些誘導(dǎo)酶體系編碼的基因轉(zhuǎn)錄的現(xiàn)象。

乳糖操縱子具有這種調(diào)節(jié)方式。基本原理當前26頁，總共69頁。細菌的應(yīng)急反應(yīng)信號：

鳥苷四磷酸ppGpp,會關(guān)閉很多基因，同時也會激活一些應(yīng)急基因。當前27頁，總共69頁。小結(jié)原核基因表達調(diào)控的特點原核基因表達調(diào)控的分類幾個重要概念作業(yè)：簡述基因表達調(diào)控的幾種方式？當前28頁，總共69頁。7.2乳糖操縱子與負控誘導(dǎo)

內(nèi)容提要：乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)酶的誘導(dǎo)——lac體系受調(diào)控的證據(jù)乳糖操縱子調(diào)控模型及其影響因子Lac操縱子中的其他問題當前29頁，總共69頁。

操縱子：

是原核生物基因表達調(diào)控的一種重要組織形式。

原核生物中幾個功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因成簇串聯(lián)排列組成的一個基因表達的協(xié)同單位。操縱子調(diào)控模型當前30頁，總共69頁。1961年，Monod和Jacob提出了操縱子模型學(xué)說。獲1965年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎Monodand

Jacob操縱子調(diào)控模型的提出當前31頁，總共69頁。乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)3個結(jié)構(gòu)基因啟動子操縱區(qū)調(diào)節(jié)基因阻遏物當前32頁，總共69頁。Z基因：編碼β-半乳糖苷酶。將乳糖水解成葡萄糖和半乳糖。Y基因：編碼β-半乳糖苷透過酶。使外界的β-半乳糖苷（如乳糖）能透過大腸桿菌細胞壁和原生質(zhì)膜進入細胞內(nèi)。A基因：編碼β-半乳糖苷乙酰基轉(zhuǎn)移酶。乙酰輔酶A上的乙酰基轉(zhuǎn)到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。結(jié)構(gòu)基因的功能當前33頁，總共69頁。酶的誘導(dǎo)——lac體系受調(diào)控的證據(jù)加入乳糖

去掉乳糖當前34頁，總共69頁。小知識1、添加乳糖后，lacmRNA含量快速上升。相反，去掉乳糖后，lacmRNA含量快速下降到幾乎無法檢測到的水平，表明乳糖能激發(fā)lacmRNA的合成。2、在有葡萄糖和乳糖同時存在時，細菌優(yōu)先利用葡萄糖。當前35頁，總共69頁。安慰誘導(dǎo)物：事實上，研究誘導(dǎo)作用很少直接使用乳糖。如果某種物質(zhì)能夠促使細菌產(chǎn)生酶而本身又不被分解，這種物質(zhì)被稱為安慰誘導(dǎo)物，如：IPTG（異丙基-β-D-硫代半乳糖苷）。當前36頁，總共69頁。β-半乳糖苷酶結(jié)合lac阻遏物別乳糖IPTG不是半乳糖苷酶可切割的底物IPTG當前37頁，總共69頁。PIOPLacILacZLacYLacAConstitutiveexpressmRNAGene:OFFNomRNAproductsrepressorLacoperon#3乳糖操縱子調(diào)控模型當前38頁，總共69頁。NegativeregulationoflacoperonPIOPLacILacZLacYLacAConstitutiveexpressmRNAGene:ONmRNAproductβ-GalactosidasePermeaseTransacetylaseIso-lactoseRNApolymeraseIso-lactose當前39頁，總共69頁。乳糖操縱子調(diào)控模型特點主要內(nèi)容：①Z、Y、A基因的產(chǎn)物由同一條多順反子的mRNA分子所編碼。

當前40頁，總共69頁。②mRNA分子的啟動子緊接著O區(qū)，而位于I與O之間的啟動子區(qū)（P），不能單獨起動合成β-半乳糖苷酶和透過酶的生理過程。當前41頁，總共69頁。③操縱基因是DNA上的一小段序列（僅為26bp），是阻遏物的結(jié)合位點。當前42頁，總共69頁。Lac操縱子的起點處的抑制子和RNA聚合酶位點重合RNA聚合酶結(jié)合部位阻遏物結(jié)合部位當前43頁，總共69頁。

④當阻遏物與操縱基因結(jié)合時，lacmRNA的轉(zhuǎn)錄起始受到抑制。

當前44頁，總共69頁。⑤誘導(dǎo)物通過與阻遏物結(jié)合，改變它的三維構(gòu)象，使之不能與操縱基因結(jié)合，從而激發(fā)lacmRNA的合成。

當有誘導(dǎo)物存在時，操縱基因區(qū)沒有被阻遏物占據(jù)，所以啟動子能夠順利起始mRNA的合成。當前45頁，總共69頁。當前46頁，總共69頁。lac操縱子影響因子1、lac操縱子的本底水平表達有兩個矛盾是操縱子理論不能解釋的：①阻遏物在細胞內(nèi)，誘導(dǎo)物在細胞外。因此，誘導(dǎo)物需要穿過細胞膜才能與阻遏物結(jié)合，而轉(zhuǎn)運誘導(dǎo)物需要透過酶的存在（Y基因編碼）。Lac當前47頁，總共69頁。lac操縱子影響因子1、lac操縱子的本底水平表達第二個矛盾：②真正的誘導(dǎo)物是異構(gòu)乳糖（也稱別乳糖）而非乳糖，前者是在β-半乳糖甘酶（Z基因編碼）的催化下由乳糖形成的，因此，需要有β-半乳糖甘酶的預(yù)先存在。Lac別乳糖當前48頁，總共69頁。吸收進入細胞培養(yǎng)基中的乳糖在胞內(nèi)：轉(zhuǎn)化為異構(gòu)乳糖透過性酶β-半乳糖苷酶雞-蛋矛盾乳糖操縱子活化，基因表達當前49頁，總共69頁。解釋：PIOPLacILacZLacYLacA泄露表達（LeakyExpression）：沒有乳糖存在時，阻遏蛋白偶然脫落，使下游結(jié)構(gòu)基因保持本底表達。所以，細胞內(nèi)含有極少量的基因表達產(chǎn)物。這些產(chǎn)物足以運送少量的外源乳糖進入細胞。

當乳糖成為唯一碳源時，起初本底表達的產(chǎn)物使少量的乳糖進入細胞，并被轉(zhuǎn)化成異構(gòu)乳糖，獲得真正的誘導(dǎo)物。

異構(gòu)乳糖誘導(dǎo)下游結(jié)構(gòu)基因高效表達，使基因產(chǎn)物大量合成；導(dǎo)致運送大量的乳糖進入細胞，一方面分解產(chǎn)能，另一方面轉(zhuǎn)化為異構(gòu)乳糖維持基因的持續(xù)表達。當前50頁，總共69頁。RepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveCAPLacRepressorRepressorRNAPol.RNAPol.Great,Icantranscribe!Sometranscriptionoccurs,butataslowrateThislactosehasbentmeoutofshapeLac操縱子阻遏物泄漏表達當前51頁，總共69頁。3、阻遏物lacI基因產(chǎn)物及功能

研究表明，LacI操縱子阻遏物mRNA是由弱啟動子控制下組成型合成的，每個細胞中有5-10個阻遏物分子。

當I

基因由弱啟動子突變成強啟動子，細胞內(nèi)就不可能產(chǎn)生足夠的誘導(dǎo)物來克服阻遏狀態(tài)，整個lac操縱子在這些突變體中就不可誘導(dǎo)。當前52頁，總共69頁。Lac阻抑物的結(jié)構(gòu)特征當前53頁，總共69頁。NendCend當前54頁，總共69頁。Repressormaintainsthelacoperonintheinactiveconditionbybindingtotheoperator.Theshapeoftherepressorisrepresentedasaseriesofconnecteddomainsasrevealedbyitscrystalstructure當前55頁，總共69頁。4、葡萄糖對lac操縱子的影響

如果將葡萄糖和乳糖同時加入培養(yǎng)基中，lac操縱子處于阻遏狀態(tài)，不能被誘導(dǎo)；一旦耗盡外源葡萄糖，乳糖就會誘導(dǎo)lac操縱子表達分解乳糖所需的三種酶。

代謝物阻遏效應(yīng)當前56頁，總共69頁。葡萄糖存在，乳糖不存在的情況RepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveComeon,letmethroughNowayJose!CAPLac操縱子當前57頁，總共69頁。RepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveCAPLacRepressorRepressorThislactosehasbentmeoutofshapeRNAPol.Lac操縱子葡萄糖和乳糖都存在的情況Great,Icantranscribe!當前58頁，總共69頁。RepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorThislactosehasbentmeoutofshapeCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yipee…!乳糖存在但是葡萄糖不存在的情況Lac操縱子當前59頁，總共69頁。RepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveRepressorSTOPRighttherePolymeraseAlright,I’mofftotheraces...Comeon,letmethrough!葡萄糖和乳糖都不存在的情況Lac操縱子當前60頁，總共69頁。乳糖操縱子的正調(diào)控──

CAP