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

rRNA、tRNA編碼基因轉(zhuǎn)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(jīng)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(diào)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(diào)控水平：轉(zhuǎn)錄水平（transcriptionalregulation）的調(diào)控；轉(zhuǎn)錄后水平（post-transcriptionalregulation）的調(diào)控（RNA加工水平上的調(diào)控；翻譯水平上的調(diào)控）。組成性酶與誘導酶組成性酶：不經(jīng)誘導就經(jīng)常而大量地存在于細胞中。誘導酶：需經(jīng)誘導才能（大量）產(chǎn)生。乳糖操縱子

調(diào)節(jié)蛋白（轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子）：由調(diào)節(jié)基因所編碼的蛋白因子。負調(diào)節(jié)蛋白：阻遏蛋白正調(diào)節(jié)蛋白：激活蛋白

根據(jù)操縱子對調(diào)節(jié)蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）的應答情況，可分為：正轉(zhuǎn)錄調(diào)控（正控制）和負轉(zhuǎn)錄調(diào)控（負控制）。乳糖操縱子

負轉(zhuǎn)錄調(diào)控：調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是阻遏蛋白（repressor），起著阻止結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的作用。負控誘導：阻遏蛋白與效應物（誘導物）結(jié)合時，阻遏蛋白無活性,不與調(diào)控區(qū)（順式作用元件）結(jié)合，結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄。負控阻遏：阻遏蛋白與效應物（輔阻遏物）結(jié)合時，阻遏蛋白有活性，與調(diào)控區(qū)（順式作用元件）結(jié)合，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄。

正轉(zhuǎn)錄調(diào)控：調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物是激活蛋白（activator），起著激活結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)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(jīng)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(jié)合，而轉(zhuǎn)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(gòu)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(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(jié)構(gòu)基因所組成的轉(zhuǎn)錄單位。操縱基因受調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物的控制。乳糖操縱子

乳糖操縱子調(diào)控模型①Z、Y、A基因的產(chǎn)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(jié)合位點。④當阻遏物與操縱基因結(jié)合時，lacmRNA轉(zhuǎn)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(zhì)膜進入細胞內(nèi)。A編碼β-半乳糖苷乙酰基轉(zhuǎn)移酶：乙酰輔酶A上的乙?；D(zhuǎn)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(diào)節(jié)其分解底物供給生長的能力。阻遏是細菌調(diào)節(jié)其合成代謝產(chǎn)物的能力。無論是酶作用的小分子底物的調(diào)節(jié)，還是酶活性的產(chǎn)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(zhì)能阻止酶合成它們本身，此物質(zhì)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(jié)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(zhuǎn)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(zhuǎn)錄，又能識別小分子誘導物。阻遏物有2個結(jié)合位點：一個是結(jié)合誘導物的，另一個是結(jié)合操縱基因的。當誘導物在相應位點結(jié)合時，它改變了阻遏蛋白的構(gòu)象，干擾了另一位點的活性。這種類型的調(diào)控叫變構(gòu)調(diào)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(jié)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(jié)合位點都處于正常時，整個蛋白質(zhì)才有活性。乳糖操縱子乳糖操縱子操縱子的調(diào)控1.抑制物結(jié)合誘導物（乳糖）后從操縱基因上脫離抑制物與誘導物結(jié)合發(fā)生構(gòu)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(diào)控乳糖操縱子Summary

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