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1、乳糖操纵子的应用班级:化学1001 姓名: 韩昌文 学号: 1101100104摘要:乳糖操纵子学说可以用于解释酶的诱导机制,乳糖操纵子可以调控基因的表达,修饰阻抑物基因和操纵基因可调控阻抑物诱导能力。半乳糖苷酶对乳糖操纵子系统有正向调控作用,利用乳糖操纵子在转基因动物中可诱导性调控半乳糖苷酶基因的表达,能有效的提高转基因动物利用半乳糖苷、吸收营养物质的能力。乳糖操纵子能在多种高等生物体中利用可逆的基因开关调控靶基因的表达。关键词:乳糖操纵子 半乳糖苷酶 基因正文:乳糖操纵子的阻抑物和操纵基因组成了一个基因开关。诱导物存在时,与阻抑体结合,基因开关打开,使转录翻译进行。相反,阻抑物则与操纵基因
2、结合,阻止转录翻译的进行。乳糖阻抑物分子水平的不同构象以及其与乳糖操纵基因结合的分子效应,为研究开发可诱导型表达载体提供了分子基础。畜禽胃肠道内缺乏能催化水解半乳糖苷键的半乳糖苷酶,当半乳糖苷在动物肠道内积聚一定量时影响肠道对营养物质的吸收,经肠道微生物发酵产生的CO2、NH3等气体会使动物产生胀气,甚至渗透性腹泻。玉米-豆粕饲料中半乳糖苷类抗营养因子严重影响动物对营养物质的吸收利用。因此生产能在动物肠道内表达半乳糖苷酶的转基因动物,对于消除半乳糖苷类抗营养因子,提高饲料中营养物质的利用率,改善动物的生产性能方面将有很大作用。也为环境安全型转基因动物的研究奠定了理论基础。外源半乳糖苷酶基因在转
3、基因动物中出现过量或异源表达的现象,严重影响转基因动物的安全性,理想的可诱导型系统能使靶基因的表达能根据机体需求选择开或关而不影响非靶基因的表达,因此用乳糖操纵子系统构建可诱导型表达半乳糖苷酶的载体,可以使半乳糖苷酶在特定组织中根据机体需求选择基因表达与否,避免出现过量或异源表达的现象,能有效提高转基因的安全性。1 乳糖操纵子系统11 乳糖操纵子结构及诱导机制乳糖操纵子系统由启动基因、操纵基因、结构基因三部分组成。启动基因是能被依赖于DNA和RNA聚合酶所识别的碱基序列,它既是RNA聚合酶的结合位点,又是转录的起始点。操纵基因是位于启动基因和结构基因之间的碱基序列,它能与阻遏物相结合,以此来决
4、定结构基因的转录能否进行。结构基因是确定酶蛋白氨基酸序列的DNA模板,可更据它的碱基序列转录生成mRNA,然后再通过蛋白质翻译生成相应的酶。一个操纵子往往含有多个结构基因,如大肠杆菌的乳糖操纵子中就有三个紧邻的结构基因,分别是 -半乳糖苷酶、 -半乳糖苷透过酶(控制乳糖透过细胞膜进入细胞)和半乳糖苷转乙酰酶(催化乙酰CoA转乙酰基到半乳糖苷受体上)的遗传基因。在操纵子附近,还有调节基因,它是编码调节蛋白的基因。调节蛋白是一类变构蛋白,它有两个特殊位点,其中一个位点能与操纵基因结合,另一个能与效应物结合。1诱导物(乳糖)不存在时,调节基因在其自身启动子的作用下,转录翻译成阻抑蛋白,其分子构象能识
5、别操纵基因序列并与之结合,阻止了RNA 聚合酶与启动诱导物( 乳糖) 存在时,乳糖水解后的半乳糖能和乳糖阻抑蛋白结合,使其分子构象发生改变,无法识别操纵基因序列。RNA 聚合酶与启动基因结合,结构基因可以转录翻译相应的酶蛋白。1乳糖阻抑物的氨基酸或核苷酸变化会引起其分子构象发生变化而改变其功能活性。目前,很多研究都通过突变乳糖阻抑物核苷酸序列或氨基酸来研究乳糖阻抑物的功能活性。少数氨基酸突变能显著改变乳糖阻抑物的分子构象,使其功能活性发生变化。12操纵基因对启动子活性和翻译水平的影响野生型乳糖操纵基因是由两个几乎相同的半位点组成。该序列可以被乳糖阻抑物的螺旋-转角-螺旋基序特异性识别结合,阻止
6、了RNA 聚合酶与启动基因的结合,使转录翻译无法进行。乳糖操纵基因在启动子中的位置影响启动子活性。相对于野生型操纵基因,对称性程度高的操纵基因介导的GFP 蛋白表达量降低,但对于mRNA 水平的表达量影响不明显,表明操纵基因的对称性程度对转录水平没有显著影响,却直接影响翻译的效率。事实上,乳糖操纵子区域有另外两个假操纵基因位于原操纵基因的两侧,它们与阻抑物的亲和力较差,去除其中一个使操纵基因与阻抑物亲和力降低2 4 倍。两个假操纵基因都去除时,操纵基因与阻抑物亲和力降低超过50倍。1. 3 阻遏蛋白的负性调节在没有乳糖存在时,乳糖操纵子处于阻遏状态。此时,基因列在P启动序列操纵下表达的乳糖阻遏
7、蛋白与O序列结合,故阻断转录启动。阻遏蛋白的阻遏作用并非绝对,偶有阻遏蛋白与O序列解聚。因此,每个细胞中可能会有寥寥数分子半乳糖苷酶、透酶生成。当有乳糖存在时,乳糖操纵子即可被诱导。真正的诱导剂并非乳糖本身。乳糖经透酶催化、转运进入细胞,再经原先存在于细胞中的少数 -半乳糖苷酶催化,转变为别乳糖。后者作为一种诱导剂分子结合阻遏蛋白,使蛋白构型变化,导致阻遏蛋白与O序列解离、发生转录,使-半乳糖苷酶分子增加 1000倍。14 乳糖操纵子系统在哺乳动物中的应用乳糖操纵子系统用于哺乳动物细胞中以诱导报告基因的表达。将操纵基因序列嵌合到哺乳动物启动子中调控内源基因的表达,暗示了这种细菌型基因开关可以用
8、于高等生物体中调控靶基因表达。由于乳糖操纵子系统具有可诱导性并能使靶基因表达重复的开或关而不影响非靶基因表达的优越性,逐渐被用于转基因动物中调控靶基因的表达。将乳糖操纵子系统用于转基因小鼠中,通过腹腔注射IPTG 调控报告基因在各组织的表达,分子水平上印证了乳糖操纵子系统调控基因表达的作用。用酪氨酸酶基因检验了乳糖操纵子系统在转基因小鼠中的可诱导作用。构建了可表达酪氨酸酶且含有操纵基因的转基因小鼠,与表达乳糖阻抑物的转基因小鼠杂交,得到能同时表达酪氨酸酶和乳糖阻抑物的转基因小鼠。通过饲喂含IPTG 的水可以调控其皮肤颜色的变化。72 半乳糖苷酶的功能及在转基因动物中应用现状2 1 半乳糖苷酶的
9、生理功能半乳糖苷酶包括-半乳糖苷酶和-半乳糖苷酶,是一类能催化水解半乳糖苷键的外切糖苷酶类,在医学研究、畜牧养殖中已有广泛的应用。医学应用上,-半乳糖苷酶在转基因小鼠中用于治疗法布氏病,此外,-半乳糖苷酶是B-O 血型转变的工具酶。畜牧养殖业中,半乳糖苷酶能有效的催化水解的半乳糖苷类抗营养因子,避免半乳糖苷在动物肠道内发酵导致动物出现消化不良、胀气等病症。半乳糖苷酶作为一种新型酶制剂添加动物饲料中,对于提高动物生长性能方面有重要作用。如果通过转基因技术使畜禽肠道内合成半乳糖苷酶,将提高玉米-豆粕饲料中养分的利用率,减少有害物质的排放,提高畜禽生产性能。3 结语乳糖操纵子能在多种高等生物体中利用
10、可逆的基因开关调控靶基因的表达。修饰乳糖阻抑物基因和操纵基因,可以改变乳糖阻抑物对操纵基因的亲和力,形成一个新的调控系统,能更好的适应转基因高等动物复杂的内环境。用修饰的乳糖操纵子调控半乳糖苷酶,可以使半乳糖苷酶在转基因动物中根据机体需要选择基因表达开或关,相对于半乳糖苷酶在转基因小鼠体内持续过量表达及不可调控性,极大提高了转基因动物的安全系数。半乳糖苷酶对乳糖操纵子系统有正向调控作用,半乳糖苷酶的特定作用能更好的适应乳糖操纵子,使其在动物的生产中有广泛的应用基础。棉籽糖等寡糖存在时,可以被半乳糖苷酶催化水解为半乳糖,半乳糖作为诱导物可以和乳糖阻抑物结合,RNA 聚合酶结合操纵基因序列,转录翻
11、译出半乳糖苷酶。或者饲喂含有乳糖的水,动物体内同样可以诱导产生半乳糖苷酶。6由于存在酶的诱导机制,微生物只有在代谢活动需要时才合成有关的酶,从而避免了营养物和能量的浪费。转录翻译的半乳糖苷酶一部分用于继续水解寡糖、半乳糖苷,另一部分用于提高动物吸收营养物质的能力,减少氮( N) 磷( P) 等物质的排放,改善动物的生产性能。值得关注的是,组织特异性启动子的嵌入,可以使半乳糖苷酶基因在特定组织中表达而避免出现异源表达的现象,乳糖操纵子介导的半乳糖苷酶在转基因动物特定的组织中调控基因表达的开或关,对于安全型转基因动物生产及培育能有效利用半乳糖苷等抗营养因子的动物新品种方面都有重要的应用价值。参考文献1工业微生物学 曾沛霖 蔡谨2操纵子概念 卢龙斗 杜启艳3悄然启动的“材料基因组”计划 沈湫莎 江世亮 4基于迭代自学习的操纵子结构预测 吴文琪 郑晓斌 刘永初 汤凯 朱怀球 5分子无性繁殖载体的组建.乳糖操纵子的重组和表达 敖世洲 高美华6E.Coli乳糖操纵子模型动力学行为的逻辑代数表达式 单嘉量 顾秀英 徐泓 7操纵子学说及其在遗传学史中的地位 陈建华
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