乳糖操纵子PPT课件.ppt

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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 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因的表达状态,以适应环境以适应

2、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面面对恶劣劣环境，境，适者生存。适者生存。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

3、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。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录录合合成成RNARNA的的过过程程也属于基因表达。也属于基因表达。（

4、1 1）基因表达调控的概念）基因表达调控的概念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

5、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-营养和养和环境境真核生物真核生物-激素水平和激素水平和发育育阶段段根据调控机制：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

6、表达调控分类负转录调控控正正转录调控控调节基因基因编码阻遏蛋白，阻遏蛋白，阻止阻止结构基因构基因转录。调节基因基因编码激活蛋白，激活蛋白，促促进结构基因构基因转录。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几个重要概念几个重要概念n结构基因与构基因与调节基因基因n阻遏物、操阻遏物、操纵基因与操基因与操纵子子n正正调控与控与负调控控n诱导与阻遏与阻遏n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l 结构基因（结构基因（structural gene）编码编码各类

7、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RNAProl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n阻阻遏遏物物（repressor）:阻阻止止基基因因表表达达的的蛋

8、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

9、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

10、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

11、率率的的蛋蛋白白质质（有有时为时为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: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

12、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

13、转录调控。为正转录调控。为正转录调控。开启开启关闭关闭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基因基因表达表达调控控4种种模型模型负控诱导正控诱导负控阻遏正控阻遏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

14、 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

15、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

16、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弱化子对基因活性的影响弱化子对基因活性的影响 大大大大肠肠杆菌的色氨酸操杆菌的色氨酸操杆菌的色氨酸操杆菌的色氨酸操纵纵子和苯丙氨酸操子和苯丙氨酸操子和苯丙氨酸操子和苯丙氨酸操纵纵子子子子具有具有具有具有这这种种种种调节调节方式。方式。方式。方式。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

17、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能能能能被被被被利用；利用；利用；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子子子子才才才才进进行行行行转转录录，形成利用乳糖的形成利用乳糖的形成利用乳糖的形成利用乳糖的酶酶。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例如：葡萄糖阻遏或分解代例如：葡萄糖阻遏或分解代例如：葡萄糖阻遏或分解代谢

18、产谢产生阻遏作用。生阻遏作用。生阻遏作用。生阻遏作用。葡萄糖或某些容易利用的碳源，葡萄糖或某些容易利用的碳源，葡萄糖或某些容易利用的碳源，葡萄糖或某些容易利用的碳源，其分解代其分解代其分解代其分解代谢产谢产物阻遏物阻遏物阻遏物阻遏某些某些某些某些诱导酶诱导酶体系体系体系体系编码编码的基因的基因的基因的基因转录转录的的的的现现象象象象。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7.1.5 7.1.5 细细菌的菌的菌的菌的应应急反急反急反急反应应信号：信号：信号：信号：鸟鸟苷苷苷苷四四四四磷磷磷磷酸酸酸酸ppGp

19、p,ppGpp,会会会会关关关关闭闭很很很很多多多多基基基基因因因因，同同同同时时也会激活一些也会激活一些也会激活一些也会激活一些应应急基因急基因急基因急基因。小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作作作业业：简简述基因表达述基因表达述基因表达述基因表达调调控的几种方式？控的几种方式？控的几种方式？控的几种方式？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系受调控的证据体系受调控的证据体

20、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 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成成成簇簇簇簇串串串串联联联联排列排列排列排列

21、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pZ Z Z Z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酶酶酶酶。将将

22、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-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

23、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，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

24、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。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）。）。-半乳糖苷半乳糖苷半乳糖苷半乳糖苷酶酶结结合合合合laclac阻遏物阻遏物阻遏物阻遏物别乳糖乳糖IPTG不是半

25、乳糖苷不是半乳糖苷酶可切可切割的底物割的底物IPTGPIOPLacILacZLacYLacAConstitutive 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Negative regulation of lac operonPIOPLacILacZLacYLacAConstitutive expressmRNAGene:ONmRNA product-GalactosidasePermease Transacetylase Iso-lactoseRNA polymeraseIs

26、o-lactose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反反反反子子子子的的的的mRNAmRNA分子所分子所分子所分子所编码编码。mRNAmRNA分分分分子子子子的的的的启启启启动动子子子子紧紧接接接接着着着着O O区区区区，而而而而位位位位于于于于I I与与与与O O之之之之间间的的的的启启启启动动子子子子区区区区（P P），不不不不能能能能单单独独独独起起起起动动合合合合成成成成-半半半半乳乳乳乳糖糖糖糖苷苷苷苷酶酶和透和透和透和透过酶过酶的生

27、理的生理的生理的生理过过程。程。程。程。操操操操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（仅仅为为26bp26bp），是阻遏物的是阻遏物的是阻遏物的是阻遏物的结结合位点。合位点。合位点。合位点。LacLacLacLac操纵子的起点处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聚合聚合聚合聚合酶结酶结合部位合部位合部位合部位阻遏物阻遏物阻遏物阻遏物结结合部位合部位合部位合部位 当阻遏物与操当阻遏物与操当阻遏物与操

28、当阻遏物与操纵纵基因基因基因基因结结合合合合时时，lac mRNAlac mRNA的的的的转录转录 起始受到抑制。起始受到抑制。起始受到抑制。起始受到抑制。诱诱导导物物物物通通通通过过与与与与阻阻阻阻遏遏遏遏物物物物结结合合合合，改改改改变变它它它它的的的的三三三三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基基基基因因因因结结合合合合，从从从从而而而而激激激激发发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导导物物物物存存存存在在在在时时，操操操操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

29、占据，所以启占据，所以启占据，所以启占据，所以启动动子能子能子能子能够顺够顺利起始利起始利起始利起始mRNAmRNA的合成。的合成。的合成。的合成。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

30、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导导导导物物物物需要透过酶的存在（需要透过酶的存在（需要透过酶的存在（需要透过酶的存在（Y Y Y Y基因编码）。基因编码）。基因编码）。基因编码）。Laclaclaclaclac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

31、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-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别乳糖乳糖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

32、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，基因表达解释：PIOPLacILacZLacYLacA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

33、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。RepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressor mRNAHey man,Im constitutiveCAPLacRepressorRepressorRNAPol.RNAPol.

34、Great,I can transcribe!Some transcription occurs,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子子子子控控控控制制制制下下下下组组成成成成型型型型合合合合成

35、成成成的的的的，每每每每个个个个细细胞胞胞胞中中中中有有有有5-105-10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子子子子突突突突变变成成成成强强启启启启动动子子子子，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生生生生足足足足够够的的的的诱诱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，整整整整个个个个laclac操操操操纵纵子在子在子在子在这这些突些突些突些突变变体中就不可体中就不可体中就不可体中就不可诱导诱导。Lac阻抑物的结构特征阻抑物的结构特征N endC endRepre

36、ssor 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 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如果将葡萄糖和乳糖同如果将葡萄糖和乳糖同如果将葡萄糖和乳糖同时

37、时加入培养基中，加入培养基中，加入培养基中，加入培养基中，laclac操操操操纵纵子子子子处处于阻遏状于阻遏状于阻遏状于阻遏状态态，不能被，不能被，不能被，不能被诱导诱导；一旦耗尽外一旦耗尽外一旦耗尽外一旦耗尽外源葡萄糖，乳糖就会诱导源葡萄糖，乳糖就会诱导源葡萄糖，乳糖就会诱导源葡萄糖，乳糖就会诱导laclaclaclac操纵子表达分解乳操纵子表达分解乳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。糖所需的三种酶。糖所需的三种酶。代代代代谢谢物阻遏效物阻遏效物阻遏效物阻遏效应应葡萄糖存在，乳糖不存在的情况葡萄糖存在，乳糖不存在的情况RepressorPromoterLacYL

38、acALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressor mRNAHey man,Im constitutiveCome on,let me throughNo wayJose!CAPLac操纵子操纵子RepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressor mRNAHey man,Im constitutiveCAPLacRepressorRepressorThis lactose has bent me out of shapeRNAPol.Lac操纵子操

39、纵子葡萄糖和乳糖都存在的情况Great,I can transcribe!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RepressorPromoterLacYLacALa

40、cZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBind 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操纵子操纵子乳糖操纵子的正调控 CAP-cAMP cAMP含含量量与与葡葡萄萄糖糖的的分分解解代代谢有有关关，当当细菌菌利利用用葡葡萄萄糖糖供供给能能量量时，cAMP含含

41、量量降降低低；无无葡葡萄萄糖糖时，cAMP含量升高含量升高。cAMP与与CRP结合合变为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序列序列结合。合。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-cAMPCRPcAMPcAMP含量与葡萄糖的关系含量与葡萄糖的关系p CAP与与DNA位点结合后，造成模板位点结合后，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

42、起始。CRP-cAMP CRP-cAMP CRP-cAMP CRP-cAMP 与与与与结结结结合合合合位位位位点点点点结结结结合合合合后后后后，增增增增强强强强了了了了RNARNARNARNA聚聚聚聚合合合合酶酶酶酶与与与与启启启启动动动动子子子子的的的的结结结结合合合合力力力力，使使使使转转转转录录录录效效效效率率率率提提提提高高高高50505050倍。倍。倍。倍。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：-半乳糖苷半乳糖苷半乳糖苷半乳糖苷酶酶Y Y：透透透透过酶过酶A A：乙：乙：乙：乙酰酰基基基基转转移移移移酶酶如如无无CA

43、P存存在在，即即使使没没有有阻阻遏遏蛋蛋白白与与操操纵序序列列结合合，操操纵子子仍仍无无转录活活性性。cAMPCAP复复合合物物与与启启动子子区的区的结合是合是转录起始所必需的。起始所必需的。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。小结小结本本节完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？