描述乳糖操纵子的作用机理
典型乳糖操纵子的诱导原理
▪ ----操纵基因(operator，O)：是指能被调控蛋白特异性结合的一段DNA序 列。
▪ 阻遏物基因(inhibitor,I),产生阻遏物(repressor)。
乳糖操纵子的结构和功能
▪ 三个特异性序列： ▪ 操纵序列 O (operator): 阻遏蛋白结合位点。
▪ 启动子 P (promoter): 位于结构基因的上游。 ▪ CAP结合位点：环cAMP受体蛋白(分解代谢物激活蛋白)结合位点。
▪ 由于Plac是弱启动子，单纯因乳糖的存在发 生去阻遏使lac操纵元转录开放，还不能使细 菌很好利用乳糖，必需同时有CAP来加强转 录活性，细菌才能合成足够的酶来利用乳糖。
▪ 关键条件：lac操纵元的强诱导既需要有乳糖
的存在又需要没有葡萄糖可供利用。
Lac操纵子基因表达受阻遏蛋白和CAP 的双重调控
本底表达
▪ 在细胞中透性酶等总是以最低量存在着，足 以供给底物开始进入时的需要。也就是说， 操纵子有一个本底水平（basal level）的表 达，即使没有诱导物的存在，也保持此表达 水平（诱导水平的0.1%）；有的诱导物是通 过其他吸收系统进入细胞的。
小结
▪ Lac操纵子基因表达受阻遏蛋白和CAP的双 重调控。
复杂的动力学问题，因此人们常用安慰诱导物来进行各 种实验。 ▪ X-gal（5-溴-4-录-3-吲哚-β-半乳糖苷）也是一种人工化 学合成的半乳糖苷，可被β－半乳糖苷酶水解产生兰色化 合物，因此可以用作β －半乳糖苷酶活性的指示剂。 IPTG和X-gal都被广泛应用在分子生物学和基因工程的工 作中。
▪ 葡萄糖的降解物能抑制腺苷酸环化酶活性，并活化磷酸二脂酶，因而
降低 cAMP的浓度。
▪ 所以葡萄糖存在时，cAMP浓度低；仅在葡萄糖消耗完毕时, cAMP浓 度增高，CAP-cAMP 复合物形成（结合于lac operon CAP结合位点)， 才会促进转录。
乳糖操纵子的调控机理
①G降解代谢产物可以抑制腺苷环化酶、 激活磷酸二酯酶，结果使 胞内cAMP下降；CAP的正调控需要结合cAMP形成复合物才能结合到 CAP结合位点；
②当G耗尽，cAMP开始集累↑，cAMP和CAP结合→使CAP变构才能 结合到CAP结合位点上，促进RNA pol与P结合。
结合乳糖、葡萄糖存在与否及与操纵子正、负控因素、基因 开放与关闭情况如下：
终止密码子
编码区
红霉素甲基化酶 红霉素
核糖体23SmRNA上特定位点 的一个腺嘌呤甲基化。
3、mRNA的稳定性是调控翻译的方式之一
细菌蛋白质的合成速率的快速改变，不仅 是转录与翻译偶联，更重要的与mRNA的降解 速度快有关。
影响mRNA的降解因素： ①细菌的生理状态、环境因素； ② mRNA的一级结构及次级结构的影响； ③与mRNA的序列和结构有关
原核生物转录起始区的一致性序列
2、 σ因子的种类与浓度
不同的因子σ可以竞争性的结合RNA聚合酶,环境变化 可产生特定的σ因子，从而打开一套特定的基因。通过 对大肠杆菌基因组序列分析后，发现存在6种σ因子， 并根据其相对分子质量的大小或编码基因进行命名。
σ因子 σ70 σ54 σ38 σ32 σ28 σ24
二、转录的调控机制
在大肠杆菌的许多操纵子中，基因的转录不是由单一 因子调控的，而是通过负调控因子和正调控因子进行 复合调控的。比较典型的是一些糖代谢有关的操纵子。
乳糖操纵子调控的机制 阿拉伯糖操纵子的调控机制 色氨酸操纵子的调控机制
操纵子模型的提出
—莫洛(Monod)和雅各布(Jacob) 获1965年诺贝尔生理学和医学奖
如E.coli启动子全长约40∽60bp，3个功能部位，2个 重要功能：
乳糖操纵子
1、乳糖操纵子的组成：大肠杆菌乳糖操纵子含Z、Y、A三个结构基因，分别编码半乳糖苷酶、透酶和半乳糖苷乙酰转移酶，此外还有一个操纵序列O，一个启动子P和一个调节基因I。
2、阻遏蛋白的负性调节：没有乳糖存在时，I基因编码的阻遏蛋白结合于操纵序列O处，乳糖操纵子处于阻遏状态，不能合成分解乳糖的三种酶；有乳糖存在时，乳糖作为诱导物诱导阻遏蛋白变构，不能结合于操纵序列，乳糖操纵子被诱导开放合成分解乳糖的三种酶。
所以，乳糖操纵子的这种调控机制为可诱导的负调控。
3、CAP的正性调节：在启动子上游有CAP结合位点，当大肠杆菌从以葡萄糖为碳源的环境转变为以乳糖为碳源的环境时，cAMP浓度升高，与CAP结合，使CAP发生变构，CAP结合于乳糖操纵子启动序列附近的CAP结合位点，激活RNA聚合酶活性，促进结构基因转录，调节蛋白结合于操纵子后促进结构基因的转录，对乳糖操纵子实行正调控，加速合成分解乳糖的三种酶。
4、协调调节：乳糖操纵子中的I基因编码的阻遏蛋白的负调控与CAP的正调控两种机制，互相协调、互相制约。
5、在葡萄糖存在的情况下乳糖操纵子不表达，只有在葡萄糖不存在而乳糖存在的情况下表达。
色氨酸操纵子要点色氨酸操纵子负责色氨酸的生物合成，当培养基中有足够的色氨酸时，这个操纵子自动关闭，缺乏色氨酸时操纵子被打开，trp基因表达，色氨酸或与其代谢有关的某种物质在阻遏过程（而不是诱导过程）中起作用。
阻遏-操纵机制对色氨酸来说是一个一级开关，主管转录是否启动，相当于粗调开关。
trp操纵子中对应于色氨酸生物合成的还有另一个系统进行细调控，指示已经启动的转录是否继续下去。
这个细微调控是通过转录达到第一个结构基因之前的过早终止来实现的，由色氨酸的浓度来调节这种过早终止的频率。
当培养基中色氨酸的浓度很低时，前导区结构是2-3配对，不形成3-4配对的终止结构，所以转录可继续进行。
当培养基中色氨酸浓度较高时，核糖体可顺利通过两个相邻的色氨酸密码子，3-4区自由配对形成基一环终止子结构，转录被终止，trp操纵子被关闭。
基因调控-乳糖操纵子
乳糖操纵子在生物工程中的优化与应用
乳糖操纵子在生物工程领域具有潜在的应用价值，例如用于构建基因表达调控系统。通过优化乳糖操 纵子的元件和调控机制，可以开发出更高效、更精确的基因表达调控工具。
研究可以探索将乳糖操纵子与其他基因调控机制结合，以实现更复杂的基因表达模式。这种结合可以 为生物工程领域提供更多创新性的解决方案，例如用于生产生物药物、工业酶或改良作物品种等应用 。
特点
乳糖操纵子具有高度的可诱导性，当环境中乳糖浓度升高时，相 关基因的表达水平也随之升高，当乳糖浓度降低时，相关基因的 表达水平也随之降低。
乳糖操纵子的结构与组成
结构基因Z、Y、A
分别编码β-半乳糖苷酶、β-半乳糖苷 透酶和半乳糖苷乙酰转移酶，这些酶 在乳糖代谢中起关键作用。
调节基因I
编码阻遏蛋白，该蛋白可与乳糖操纵 子上的O序列结合，抑制结构基因的 表达。
适应性进化研究
乳糖操纵子可应用于适应性进化研究中，通过研究乳糖操纵子在不同环境下的适应性变化，揭示生物对环境的适 应机制。
05
未来展望与研究方向
乳糖操纵子与其他基因调控机制的关系
乳糖操纵子是原核生物中一种典型的基因调控机制，通过与 阻遏蛋白的相互作用来调节基因的表达。未来研究可以探索 乳糖操纵子与其他基因调控机制之间的相互作用和关系，以 更全面地理解基因表达的复杂性。
乳糖操纵子的功能与作用机制
功能
乳糖操纵子在乳糖存在时表达相关酶， 将乳糖转化为葡萄糖和半乳糖，供细 胞代谢利用。
作用机制
当环境中乳糖浓度升高时，乳糖通过 与阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白失去活 性，从而解除对结构基因表达的抑制 作用，使相关酶得以表达。
02
基因调控的原理
基因表达的调控
乳糖操纵子的正负调控机制
1.乳糖操纵子地正负调控机制⑴乳糖操纵子（）是由调节基因（）、启动子（）、操纵基因（）和结构基因（、、）组成地. 编码阻遏蛋白，、、分别编码β半乳糖苷酶，β半乳糖苷透性酶和β半乳糖苷转乙酰基酶.⑵阻遏蛋白地负性调控：当培养基中没有乳糖时，阻遏蛋白结合到操纵子中地操纵基因上，阻止了结构基因地表达；当培养基中有乳糖时，乳糖（真正是异乳糖）分子和阻遏蛋白结合，引起阻遏蛋白构象改变，不能结合到操纵基因上，使聚合酶能正常催化转录操纵子上地结构基因，即操纵子被诱导表达.⑶是一个重要地正调节物质，可以与操纵上地启动子区结合，启动基因转录.培养基中葡萄糖含量下降，合成增加，与形成复合物并与启动子结合，促进乳糖操纵子地表达.⑷协调调节：乳糖操纵子调节基因编码地阻遏蛋白地负调控与地正调控两种机制，互相协调，互相制约.2.详述大肠杆菌色氨酸操纵子地调控机理.答：大肠杆菌色氨酸操纵子地转录受阻遏和衰减两种机制地控制，前者通过阻遏蛋白和操纵基因地作用控制转录地起始，后者通过前导序列形成特殊地空间结构控制转录起始后是否进行下去.⑴色氨酸操纵子地可阻遏系统：在阻遏系统中，起负调控地调节基因地产物是一个无活性地阻遏蛋白，色氨酸是辅阻遏物；当色氨酸不足时，阻遏蛋白无活性，不能和操纵基因结合，色氨酸操纵子能够转录；当色氨酸充足时，阻遏蛋白和它结合而被激活，从而结合到操纵基因上，而色氨酸操纵子地操纵基因位于启动基因内，因此，活性阻遏物地结合排斥了聚合酶地结合，从而抑制了结构基因地表达.⑵色氨酸操纵子地衰减调控在色氨酸操纵子地操纵基因和第一个结构基因之间有一段前导序列，在前导序列上游部分有一个核糖体结合位点，后面是以起始密码开头地个氨基酸地编码区，编码区有两个紧密相连地色氨酸密码子，后面是一个终止密码子，在开放阅读框下游有一个不依赖ρ因子地终止子，是一段富含地回文序列，可以形成发夹结构，因此可以在此处终止转录.另外前导序列包含个能进行碱基互补配对地片断区、区、区和区.它们能以、和、或、地方式进行配对，从而使前导序列形成二级结构地变化.在细菌中，翻译与转录偶连，一旦聚合酶转录出中地前导肽编码区，核糖体便立即结合上去翻译这一序列.当细胞中缺乏色氨酸时，地浓度很低，核糖体翻译前导肽至两个连续地色氨酸密码子处就陷入停顿，这时核糖体只占据区，由聚合酶转录地区和区便可配对，区游离在外，这样就不能形成终止子结构，聚合酶就可以一直转录下去，最后完成全部结构基因地转录，得到完整地分子.当细胞中存在色氨酸时，就有一定浓度地，核糖体便能顺利通过两个连续地色氨酸密码子而翻译出整个前导肽，直到前导肽序列后面地终止密码子处停止.此时，核糖体占据了区和区，结果区和区配对，形成转录终止子结构，使聚合酶终止转录.实现衰减调控地关键在于时间和空间上地巧妙安排.在空间上，两个色氨酸密码子地位置很重要，不可随意更改；在时间上，核糖体停顿于两个色氨酸密码子上时，序列应当还未转录出来.3.基因组文库与文库地区别：①材料不同.基因组文库以为材料，而文库以为材料.②基因结构不同.基因组文库中包含了所有地基因，而文库只包含需要表达地基因.对真核细胞来说，基因组文库中所含地是带有内含子和外显子地基因组基因，而文库中则是已剪接去除了内含子地.③文库内容不同.文库所包含地遗传信息远少于基因组文库，并且受细胞来源或发育时期地影响.④载体不同.构建基因组文库常用λ噬菌体和柯斯质粒等高容量克隆载体，而构建文库地载体选择要根据该文库地用途来确定.⑤使用范围不同.基因组文库常用于分离特定地基因片段、分析特定地基因结构以及研究基因表达调控等，而文库可用于某些病毒等地基因组结构研究及有关基因地克隆分离.。
乳糖操纵子调控机制结构基因表达
乳糖操纵子调控机制结构基因表达一、引言乳糖操纵子是哺乳动物体内特有的一种基因调控元件，其在乳糖相关基因的表达调控中起着至关重要的作用。
通过对乳糖操纵子调控机制结构和功能的深入研究，可以更好地理解基因的转录和表达调控过程，为相关疾病的预防和治疗提供重要的理论基础和临床指导。
本文将从乳糖操纵子调控机制结构基因表达这一主题出发，深入探讨其相关内容，并共享个人观点和理解。
二、乳糖操纵子调控机制结构的概述乳糖操纵子是一种转录调控元件，存在于哺乳动物乳腺细胞中。
它的主要功能是调控乳糖代谢相关基因的表达，特别是在哺乳期间。
乳糖操纵子通常包含一个结构复杂的DNA序列，其中包括操纵子结构域和调控因子结合位点。
在特定的生理条件下，调控因子可以与乳糖操纵子结合，并启动或抑制相关基因的转录过程，从而调控乳糖代谢的正常进行。
三、乳糖操纵子调控机制结构的基因表达调控乳糖操纵子调控机制结构对基因表达的调控主要体现在以下几个方面：1. DNA结构变化：乳糖操纵子的DNA序列具有特定的结构和空间编排，在调控因子结合后会发生结构变化，进而影响基因的转录。
这种结构变化对于乳糖代谢相关基因的表达调控起着至关重要的作用。
2. 调控因子与操纵子的相互作用：乳糖操纵子中存在多个调控因子结合位点，不同调控因子的结合将在不同的生理条件下启动或抑制相关基因的表达，从而实现乳糖代谢的精细调控。
3. 表观遗传修饰：乳糖操纵子调控机制结构的DNA序列和相关蛋白质可能会受到表观遗传修饰的影响，如DNA甲基化和组蛋白修饰等，从而影响基因的转录和表达。
通过对乳糖操纵子调控机制结构基因表达调控的深入研究，可以更好地理解乳糖代谢调控的分子机制，为糖尿病等代谢性疾病的预防和治疗提供重要的理论指导。
四、个人观点和理解乳糖操纵子调控机制结构对基因表达的调控是一个极其复杂和精细的过程，其深层次的调控机制需要进一步的研究和探索。
我认为，通过对乳糖操纵子调控机制结构的深入理解，我们可以更好地解析基因的表达调控网络，揭示基因调控的规律和原理，为未来的基因治疗和药物研发提供更精准的靶点和策略。
分子生物学简答题
课后思考题1. 试述乳糖操纵子的结构及调控原理？乳糖操纵子开放转录需要什么条件？（1）乳糖操纵子的结构：含Z、Y、A3个结构基因，分别编码乳糖代谢的3个酶；一个操纵序列O，一个启动序列P，一个CAP结合位点共同构成乳糖操纵子的调控区。
乳糖操纵子的上游还有一个调节基因I。
（2）阻遏蛋白的负性调节：I基因的表达产物为一种阻遏蛋白，在没有乳糖存在时，阻遏蛋白与O序列结合，阻碍RNA聚合酶与P序列结合，抑制转录启动，乳糖操作子处于阻遏状态；当有乳糖存在时，乳糖转变为半乳糖，后者结合阻遏蛋白，使构象变化，阻遏蛋白与O序列解离，在CAP蛋白协作下发生转录。
（3）CAP的正性调节：分解代谢基因激活蛋白（CAP）分子内存在DNA和cAMP结合位点。
当没有葡萄糖时，cAMP浓度较高，cAMP与CAP结合，cAMP-CAP结合于CAP结合位点，提高RNA转录活性；当有葡萄糖时，cAMP浓度降低，cAMP与CAP结合受阻，乳糖操纵子表达下降。
（4）协调调节：乳糖操纵子阻遏蛋白的负性调节和CAP的正性调节机制协调合作，CAP 不能激活被阻遏蛋白封闭基因的表达，但如果没有CAP存在来加强转录活性，即使阻遏蛋白从操纵序列上解离仍无转录活性。
因此，乳糖操纵子开放转录需要的条件是：1）诱导物乳糖存在，解除阻遏蛋白的负调节。
2）葡萄糖缺乏，CAP蛋白活化，启动正调节。
2.试述原核生物和真核生物基因表达调控特点的异同。
（1）相同点：转录起始是基因表达调控的关键环节。
（2）不同点：1）原核生物基因表达调控主要包括转录和翻译水平；真核基因表达调控包括染色质活化、转录、转录后加工、翻译、翻译后加工多个层次。
2）原核基因表达调控主要为负调节；真核生物基因表达调控主要为正调节。
3）原核转录起始不需要转录因子，RNA聚合酶直接结合启动子，由σ因子决定基因表达的特异性；真核转录起始需要基础、特异两类转录因子，依赖DNA-蛋白质、蛋白质-蛋白质相互作用，调控转录激活。
详细版乳糖操纵子
2.当加入诱导物半乳糖后，半乳糖就会和抑制 蛋白结合，并改变抑制蛋白的构象使得它不能结合 到操纵子上。只要没有抑制蛋白的结合，RNA聚合酶 就可以识别启动子并转录操纵子的结构基因，得到 mRNA。此时操纵子是开启的。
3
业内人士评论认为，沃森和克 里克发现了DNA结构，雅各布等人 的工作则揭示了遗传信息如何传递 。 "Anything found to be true of E. coli must also be true of elephants," claimed by Jacques Monod. “大肠杆菌的基因调控的任何发现, 也 适用于大象基因调控。”
5 它由依次排列的调节基因、cAMP受体蛋 白CRP位点、启动子、操纵基因和3个相连 的编码利用乳糖的酶的结构基因组成。
9
ｙ基因长780bp，编码有260个氨基酸、分
子量为30,000的半乳糖透过酶，促使环境 中的乳糖进入细菌；
ａ基因长825bp，编码275氨基酸、分子
量为32,000的转乙酰基酶，以二聚体活性 形式催化半乳糖的乙酰化。
The teacher-student team:
François Jacob (1920-2013), student.
Jacques Monod (1910-1976), Lwoff's colleauge.
AndréLwoff (1902-1994), Jacob's mentor.
Notable awards: 1965 Nobel Prize in Medicine. He shared the 1965 Nobel Prize in Medicine with Jacques Monod and AndréLwoff (1902-1994).
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描述乳糖操纵子的作用机理？
1.针对大肠杆菌利用乳糖的适应现象，法国的Jacob和Monod等人做了一系列遗传学和生化学研究实验，于1961年提出乳糖操纵元(lac operon)学说，如图19-3所示。
图19-3中z、a和b型是大肠杆菌编码利用乳糖所需酶类的基因，p是转录z、a、b所需要的启动子，调控基因i编码合成调控蛋白R，R能与o结合而阻碍从p开始的基因转录，所以o就是调节基因开放的操纵序列，乳糖能改变R结构使其不能与o结合，因而乳糖浓度增高时基因就开放，转录合成所编码的酶类，这样大肠杆菌就能适应外界乳糖供应的变化而改变利用乳糖的状况，这个模型是人们在科学实验的基础上第一次开始认识基因表达调控的分子机理。
2.操纵子(operator)是指能被调控蛋白特异性结合的一段DNA序列，常与启动子邻近或与启动子序列重叠，当调控蛋白结合在操纵子序列上，会影响其下游基因转录的强弱。
以前许多书中将操纵子称为操纵基因(operator gene)。
但现在基因定义是为蛋白质编码的核酸序列，而操纵序列并不是编码蛋白质的基因，却是起着调控基因表达强弱的作用，正如启动序列不叫启动基因而称为启动子一样，操纵序列就可称为操纵子。
以前将operon译为操纵子则可改译为操纵元，即基因表达操纵的单元之意。
举乳糖操纵元中的操纵子为例，如图19－5所示，其操纵子(o)序列位于启动子(p)与被调控的基因之间，部分序列与启动子序列重叠。
仔细分析该操纵子序列，可见这段双链DNA具有回文(palindrome)样的对称性一级结构，能形成十字形的茎环(stem loop)构造。
不少操纵子都具有类似的对称性序列，可能与特定蛋白质的结合相关。
阻遏蛋白与操纵子结合，就妨碍了RNA聚合酶与启动子的结合及其后β－半乳糖苷酶等基因的转录起始，从而阻遏了这群基因的表达。
最早只把与阻遏蛋白结合、起阻遏作用的序列
称为操纵子，但其后发现有的操纵元中同一操纵序列与不同构像的蛋白质结合，可以分别起阻遏或激活基因表达的作用，阿拉伯糖操纵元中的序列就是典型的例子。
因而凡能与调控蛋白特异性结合、从而影响基因转录强弱的序列，不论其对基因转录的作用是减弱、阻止或增强、开放，都可称为操纵子。