乳糖操縱子課件

乳糖操縱子

動物學劉林林乳糖操縱子

基因表達調控的基本概念乳糖操縱子主要內容：乳糖操縱子1基因表達調控的基本概念基因表達（geneexpression）:基因轉錄及翻譯的過程，或基因指導下RNA和蛋白質的合成過程。

rRNA、tRNA編碼基因轉錄合成RNA的過程也屬于基因表達

組成性表達(constitutiveexpression)：不易受環(huán)境變化而變化的一類基因的表達。

基因的差別表達(differentialgeneexpression):

在個體發(fā)育中，某些基因在特定條件下才進行表達，而另一些基因在該條件下卻關閉。乳糖操縱子

基因表達的時、空特異性

時間特異性（temporalspecificity）：某些基因的表達嚴格按照特定的時間順序進行。

空間特異性(spatialspecificity)：某些基因在個體不同組織細胞中按照一定的順序表達。又稱細胞或組織特異性(cellortissuespecificity)。

乳糖操縱子

分類：持(看)家基因(housekeepinggenes):始終或經常性開啟的基因,是維持細胞基本生命活動所必須的，如編碼組成性蛋白的基因。奢侈基因（luxurygene），指編碼組織特異性蛋白的基因(tissue-specificgene)，對細胞分化有重要影響，如角蛋白基因、肌動蛋白基因和血紅蛋白基因等。乳糖操縱子

基因表達調控的意義：適應環(huán)境、維持個體的生長發(fā)育、分化和增殖。

基因表達的調控水平：轉錄水平（transcriptionalregulation）的調控；轉錄后水平（post-transcriptionalregulation）的調控（RNA加工水平上的調控；翻譯水平上的調控）。組成性酶與誘導酶組成性酶：不經誘導就經常而大量地存在于細胞中。誘導酶：需經誘導才能（大量）產生。乳糖操縱子

調節(jié)蛋白（轉錄調節(jié)因子）：由調節(jié)基因所編碼的蛋白因子。負調節(jié)蛋白：阻遏蛋白正調節(jié)蛋白：激活蛋白

根據操縱子對調節(jié)蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）的應答情況，可分為：正轉錄調控（正控制）和負轉錄調控（負控制）。乳糖操縱子

負轉錄調控：調節(jié)基因的產物是阻遏蛋白（repressor），起著阻止結構基因轉錄的作用。負控誘導：阻遏蛋白與效應物（誘導物）結合時，阻遏蛋白無活性,不與調控區(qū)（順式作用元件）結合，結構基因轉錄。負控阻遏：阻遏蛋白與效應物（輔阻遏物）結合時，阻遏蛋白有活性，與調控區(qū)（順式作用元件）結合，結構基因不轉錄。

正轉錄調控：調節(jié)基因產物是激活蛋白（activator），起著激活結構基因轉錄的作用。正控誘導：效應物分子的存在使激活蛋白處于活性狀態(tài)。正控阻遏：效應物分子（輔阻遏物）的存在使激活蛋白處于非活性狀態(tài)。乳糖操縱子負控誘導負控阻遏正控誘導正控阻遏乳糖操縱子2大腸桿菌的乳糖操縱子二度生長現(xiàn)象（葡萄糖效應，降解物阻遏效應）當葡萄糖和另一種須經誘導才能利用的糖同時存在時，E.coli總是首先利用葡萄糖做碳源而生長，直到葡萄糖消耗完畢后，才開始利用另一種糖。β-半乳糖苷酶的誘導乳糖操縱子lac操縱子的本底水平表達

有兩個矛盾是操縱子理論所不能解釋的：①誘導物需要穿過細胞膜才能與阻遏物結合，而轉運誘導物需要透過酶，而后者的合成也需要誘導。解釋：一些誘導物可以在透過酶不存在時進入細胞？(×)

一些透過酶可以在沒有誘導物的情況下合成？(√)②真正的誘導物是異構乳糖而非乳糖，前者是在β-半乳糖苷酶的催化下由乳糖形成的，因此，需要有β-半乳糖苷酶的預先存在。解釋：在本底水平上,有β-半乳糖苷酶的組成型合成,即,在非誘導狀態(tài)下,lacZ操縱子有本底水平上的表達（有少量lacmRNA合成及翻譯）。乳糖操縱子

安慰性誘導物：如果某種物質能夠促使細菌產生酶而本身又不被分解，這種物質被稱為安慰誘導物，如IPTG（異丙基-β–D-硫代半乳糖苷）和TMG(巰甲基半乳糖苷)等。乳糖操縱子E.colilac操縱子學說的提出

操縱子：由啟動子、操縱基因及其控制下的一組功能相關的結構基因所組成的轉錄單位。操縱基因受調節(jié)基因產物的控制。乳糖操縱子

乳糖操縱子調控模型①Z、Y、A基因的產物由同一條多順反子mRNA分子所編碼。②啟動子區(qū)(P)緊接著操縱區(qū)(O)區(qū)。③操縱區(qū)(O)是一小段序列（26bp），是阻遏物的結合位點。④當阻遏物與操縱基因結合時，lacmRNA轉錄起始受到抑制。Z編碼β-半乳糖苷酶：將乳糖水解成葡萄糖和半乳糖。Y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膜進入細胞內。A編碼β-半乳糖苷乙酰基轉移酶：乙酰輔酶A上的乙?；D到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。乳糖操縱子在細菌中同時存在著誘導和阻遏的現(xiàn)象。誘導是細菌調節(jié)其分解底物供給生長的能力。阻遏是細菌調節(jié)其合成代謝產物的能力。無論是酶作用的小分子底物的調節(jié)，還是酶活性的產生，它們的啟動是獨自的，小分子底物稱為誘導物（inducers）某些物質能阻止酶合成它們本身，此物質就稱輔阻遏物（corepressors）。乳糖操縱子誘導物（乳糖或IPTG）存在，與阻遏物結合時阻遏物從操縱基因上頭里下來，RNA聚合酶可通過啟動子和操作基因正常轉錄出一條多順反子mRNA從可翻譯得到三種酶操縱子控制的重要特性是阻遏物的雙重性：它既能阻止轉錄，又能識別小分子誘導物。阻遏物有2個結合位點：一個是結合誘導物的，另一個是結合操縱基因的。當誘導物在相應位點結合時，它改變了阻遏蛋白的構象，干擾了另一位點的活性。這種類型的調控叫變構調控乳糖操縱子多亞基蛋白具有特殊的遺傳特性活性抑制物是有4個相同的亞基組成的四聚體當野生型和突變型亞基都存在時，一個突變型的亞基可以導致整個四聚體的失活，即使另外三個亞基都是野生型的（即顯性負效應）。突變發(fā)生在DNA結合位點，可以這樣解釋突變效應：只有抑制物中4個亞基的DNA結合位點都處于正常時，整個蛋白質才有活性。乳糖操縱子乳糖操縱子操縱子的調控1.抑制物結合誘導物（乳糖）后從操縱基因上脫離抑制物與誘導物結合發(fā)生構象變化，使它與DNA的親和力降低，因而從操縱基因上脫離。乳糖操縱子乳糖操縱子乳糖操縱子乳糖操縱子TheLacOperon:

WhenGlucoseIsPresentButNotLactoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveComeon,letmethroughNowayJose!CAP乳糖操縱子TheLacOperon:

WhenLactoseIsPresentButNotGlucoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorXThislactosehasbentmeoutofshapeCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yipee…!乳糖操縱子TheLacOperon:

WhenNeitherLactoseNorGlucoseIsPresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveRepressorSTOPRighttherePolymeraseAlright,I’mofftotheraces...Comeon,letmethrough!乳糖操縱子

lac操縱子的雙重調控乳糖操縱子Summary

CarbohydratesActivatorproteinRepressorproteinRNApolymeraselacOperon+GLUCOSE+LACTOSENotboundtoDNALiftedoffoperatorsiteKeepsfallingoffpromotersiteNotranscription+GLUCOSE-LACTOSENotboundtoDNABoundtooperatorsiteBlockedbytherepressorNotranscription-GLUCOSE-LACTOSEBoundtoDNABoundtooper