乳糖操纵子的表达调控
乳糖操纵子的调控原理
乳糖操纵子的调控原理
嘿，朋友们！今天咱们来聊聊乳糖操纵子的调控原理，这可真是个超级有趣的事儿啊！
你想想看，我们的身体就像一个超级大工厂，里面有各种机器和生产线在有条不紊地工作着。
那乳糖操纵子呢，就像是其中一条特别重要的生产线。
比如说，就好像一个面包店，当没有顾客来买面包的时候，制作面包的机器就没必要全力开动，对吧？
乳糖操纵子的调控就是这样神奇。
平时，调节基因就像一个总开关，控制着一系列基因的表达。
如果周围没有乳糖，就好像面包店里没有顾客订面包，那相关的酶啊就没必要生产出来浪费资源啦。
但是呢，一旦有乳糖出现啦！哎呀呀，就好比面包店突然接到了一大批订单，这时候就得赶紧行动起来啦。
调节基因会发生变化，让那些生产相关酶的基因开始活跃起来，开始大量地制造出能够分解乳糖的酶，就像面包店里的师傅们开始全力制作面包来满足订单需求。
你说神奇不神奇？咱们身体的这个调控机制多精妙呀！“哎呀，这身体也太会安排了吧！”就像一场精彩的演出，每个角色都知道自己该什么时候上场，什么时候退场。
像乳糖操纵子这样的调控，在我们身体里到处都在发生着，它们保障着我们身体的正常运转。
所以啊，我们得好好感谢我们身体里的这些小机制，它们默默地为我们的健康努力工作着呀！别小看了这些小小的基因调控，没有它们，我们可没法这么健康地生活着呢！这就是乳糖操纵子的调控原理，很有趣吧！。
乳糖操纵子
以乳糖操纵子中的操纵区为例，其操纵区
（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。
仔细分析操纵区序列，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 少操纵区都具有类似的对称性序列，可能与特 定蛋白质的结合相关。
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一些化学合成的乳糖类似物，不受 －半乳
糖苷酶的催化分解，却也能与R特异性结合使R
构象变化，诱导lac操纵子的开放。例如异丙基
硫 代 半 乳 糖 苷 (isopropylthiog-alactoside ，
IPTG)就是很强的诱导剂；不被细菌代谢而十分
稳定。X-gal（5-溴-4-氯-3-吲哚-β-半乳糖苷）
遏蛋白R，每个细胞中仅维持约10个分子的阻遏
蛋白。R以四聚体形式与操纵子ｏ结合，阻碍了 RNA聚合酶与启动子Plac的结合，阻止了基因的 转录起动。R的阻遏作用不是绝对的，R与ｏ
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偶尔解离，使细胞中还有极低水平的－半乳糖 苷酶及透过酶的生成。
当有乳糖存在时，乳糖受 －半乳糖苷酶的催 化转变为别乳糖，与R结合，使R构象变化，R四
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乳糖操纵子含有ｚ、ｙ和ａ3个结构基因。 ｚ 基 因 长 3510bp ， 编 码 含 1170 个 氨 基 酸 、
分子量为135,000的多肽，以四聚体形式组成 有活性的β-半乳糖苷酶，催化乳糖转变为别 乳糖(allolactose)，再分解为半乳糖和葡萄 糖；
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诱导剂(inducer)：能引起诱导发生的分 子；
阻遏剂或辅助阻遏剂(corepressor)：能 导致阻遏发生的分子。
乳糖操纵子
14原核生物基因的表达调控 生物体在其生命活动中，基因的表达严格有序，任何影响到基因开启与关闭、转录和翻译等基因表达程序的调节作用，都属于对基因表达的调控。
原核生物是单细胞生物，没有核膜和明显的核结构。
它们与周围环境关系密切。
在长期进化过程中产生了高度的适应性和应变能力，这是它们赖以生存的保证。
由此可见，原核生物的基因表达既与自身的遗传结构相适应，又体现了它们对环境的应变能力。
原核生物基因表达调控主要发生在转录水平上，这可以最经济地在基因表达的第一步实行最有效的控制。
原核生物以操纵子为单位的调控系统即体现了这一特点。
然而，转录调控的方式多种多样，如噬菌体基因表达的时序调控；大肠杆菌色氨酸合成代谢的衰减调控，即是转录调控的明显例证。
此外，也有许多翻译水平上的调控机制，如核糖体蛋白质合成的自身调节；反义RNA或小RNA对mRNA翻译的调控作用等等。
有时，原核生物甚至还能从DNA水平上对基因表达进行调节，如沙门氏杆菌的相变过程，就是以基因重排的方式调控基因转录。
327 14畅1 大肠杆菌乳糖操纵子的调控机制14畅1畅1 大肠杆菌对乳糖的利用和酶诱导 早在20世纪初期就发现，酵母细胞只有在某种底物存在时才产生相应的酶。
这种由底物诱导而产生酶的效应，称为诱导作用（i nducti on ）。
酶诱导普遍存在于细菌中，如大肠杆菌（E 畅co li ）的乳糖利用系统便是诱导过程的典型例证。
大肠杆菌的乳糖代谢需要有β半乳糖苷酶（βgalactosidase）的催化，该酶能把乳糖水解为半乳糖（gal acto se ）和葡萄糖（g l u co se ）（图141）。
如果在大肠杆菌的培养基中所用的碳源不是乳糖，而是其他种类的糖（如葡萄糖），那么细胞内的β半乳糖苷酶的分子极少，平均只有0畅5～5个分子。
可是，一旦培养基的碳源完全用乳糖取代葡萄糖，则在2～3m i n 内，细胞中就合成了大量β半乳糖苷酶分子，数量骤增，分子数可达1000～10000个。
典型乳糖操纵子的诱导原理
为什么选用IPTG作诱导物？
▪ 某些诱导物与自然的β-半乳糖苷酶相似，且不能被酶分解， 比如异丙基-β-D-硫代半乳糖苷，
（isopropylthiogalactoside,IPTG）。不被细菌分解性质 稳定，它的浓度在实验中不会改变。
▪ 复杂的动力学问题，便于研究。
▪ IPTG能在缺乏lacY基因下而有效地被运送。
序列。
▪ ----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。
▪ 一个调节基因 ▪ lac I：编码阻遏蛋白，能结合于操纵序列位点。
乳糖操纵子的结构和功能
结构基因
• Z编码β-半乳糖苷酶：将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖。
• Y编码β-半乳糖苷透过酶：使外界的β-半乳糖苷（如乳糖）能透过大 肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。
• A编码β-半乳糖苷乙酰基转移酶：乙酰辅酶A上的乙酰基转到β-半乳 糖苷上，形成乙酰半乳糖。
根据生物对内外环境刺激的反应，将基 因表达的方式分为：
组成型表达 诱导和阻遏表达
组成型表达 （constitutive gene expression）
在个体发育的任一阶段都能在 大多数细胞中持续进行的基因表达， 无论表达的水平高或低，它受环境因 素的影响较少、或变化很小。 且基
因表达产物通常是对生命过程必需的、 必不可少的，这类基因通常被称为持 家基因（housekeeping gene）。
07-1 原核生物基因表达调控及乳糖操纵子
β-半乳糖苷酶是一种β-半乳糖苷键的专一性酶， 除能将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖，还能识别那些 不被分解的半乳糖化合物如IPTG（异丙基-β-D-硫 代半乳糖苷）。 β-半乳糖苷透过酶的作用是使外界的β-半乳糖苷 （如乳糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入 细胞内。
β-半乳糖苷乙酰基转移酶的作用是把乙酰辅酶A上 的乙酰基转到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。
E. Coli中
σ因子可能是参与基因表达调控最常见的蛋 白质； 6种σ因子。 σ70是调控最基本的生理功能如碳代谢、生 物合成等基因的转录所必须的。 除参与氮代谢的σ54以外，其它5种σ因子 在结构上具有同源性，所以统称σ70家族。
所有σ因子都含有4个保守区，其中第2个和第4个保守 区参与结合启动区DNA，第2个保守区的另一部分还参 与双链DNA解开成单链的过程。
The Lac Operon:
Glucose is Present without Lactose
Hey man, I’m constitutive Come on, let me through
Repressor
CAP
Binding
RNA Promoter Operator Pol.
Repressor
RNA链的延长
Байду номын сангаас(b)转录起始
RNA释放
聚合酶 脱离
(c)RNA链的延长
(d)转录终止
mRNA指导的蛋白质合成
核糖体
(a)起始复合物的形成 (b)肽键生成
tRNA
tRNA
mRNA
(c)移位作用 (d) tRNA脱离
遗传信息的传递
自我复制
转录
反转录
翻译 蛋白质 自我复制
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：
乳糖操纵子的转录调控原理
乳糖操纵子的转录调控原理
乳糖操纵子是一种广泛用于生物学研究的基因调控工具。
它由乳糖结构域和转录激活结构域组成，可以在添加乳糖后激活其下游的基因表达。
这种工具的转录调控原理主要包括两个方面：乳糖结构域的结合和转录激活结构域的激活。
乳糖结构域可以与乳糖结合，形成乳糖-乳糖操纵子结合物。
这
个复合物可以特异性地结合到DNA上的乳糖操纵子位点上，从而激活下游基因的转录。
转录激活结构域则可以与转录因子结合，形成复合物。
这个复合物可以与RNA聚合酶或转录因子相互作用，从而促进下游基因的转录。
此外，转录激活结构域还可以与组蛋白修饰酶相互作用，从而改变染色质结构，促进基因表达。
总之，乳糖操纵子的转录调控原理是通过乳糖结构域的结合和转录激活结构域的激活来调控下游基因的表达。
这种工具在生物学研究中具有广泛的应用价值。
- 1 -。
乳糖操纵子的表达调控
阻遏调控机制
阻遏蛋白有活性 阻遏蛋白无活性
三．色氨酸操纵子的弱化调控机制
实验观察表明：当色氨酸达到一定浓度、
但还没有高到能够活化阻遏蛋白使其起阻 遏作用的程度时，产生色氨酸合成酶类的 量已经明显降低，而且产生的酶量与色氨 酸浓度呈负相关。仔细研究发现这种调控 现象与色氨酸操纵子弱化调控机制有关。
前导序列
研究还发现，当mRNA 合成起始以后，除非培养
基中完全没有色氨酸，否则转录总在这个区域停 止，这就是123-150序列缺失提高色氨酸基因表达 的原因。因为转录发生在这个区域并且这种终止 能被调节，因此这个区域被称为弱化子或衰减子。 该区域序列的mRNA可通过自我配对形成茎-环结构， 具有典型的终止子的结构特点。
。茎-环结构
mRNA前导区序列分析
trp前导区的碱基序列已经全部测定，发现完整 的前导序列可分为1、2、3、4区域，这四个区 域的片段能以两种不同的方式进行碱基配对， 有时以1-2和3-4配对，有时只以2-3方式互补配 对。而3-4配对区正好位于终止密码子识别区， 当这个区域发生破坏自我碱基突变，有利于转 录的继续进行。
乳糖操纵子的正调控机制如图三
正调控机制
图三
正调控意义
由于Plac是弱启动子，单纯因乳糖的存在发生去阻遏 使lac操纵子转录开放，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。lac操纵子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。通过这机制， 细菌是优先利用环境中的葡萄糖，只有无葡萄糖而 又有乳糖时，细菌才去充分利用乳糖。
转录不终止
RNA聚合酶继续转录
弱化作用的意义
细菌通过弱化作用弥补阻遏作用的不足， 因为阻遏作用只能使转录不起始，对于已 经起始的转录，只能通过弱化作用使之中 途停下来。阻遏作用的信号是细胞内色氨 酸的多少；弱化作用的信号则是细胞内载 有色氨酸的tRNA的多少。它通过前导肽的 翻译来控制转录的进行，在细菌细胞内这 两种作用相辅相成，体现着生物体内周密 的调控作用。
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能够被启动，但在这个区域停止，产生一个140个核苷
酸的RNA分子；如果没有色氨酸存在，则转录继续进行， 合成trpEmRNA，所以这个区域参与了色氨酸操纵子基 因表达的调节。
前导序列
研究还发现，当mRNA 合成起始以后，除非培养
基中完全没有色氨酸，否则转录总在这个区域停 止，这就是123-150序列缺失提高色氨酸基因表达 的原因。因为转录发生在这个区域并且这种终止
二．Trp操纵子阻遏调控机制
Trp操纵子转录起始的调控是通过阻遏蛋白实现的。
产生阻遏蛋白的基因是trpR，在高浓度trp存在时，
阻遏蛋白-色氨酸复合物形成一个同源二聚体，并
且与色氨酸操纵子紧密结合，因此可以阻止转录。 当trp水平低时，阻遏蛋白以一种非活性形式存在， 不能结合DNA。这样trp操纵子被RNA聚合酶转录， 同时trp生物合成途径被激活。因此色氨酸操纵子 属于一种负性调控的、可阻遏的操纵子。
菌在短时间内合成了能够利用乳糖的一系列酶，具备了利用乳
糖作为碳源的能力，在这个培养基上生存了下来。
细菌获得这一能力的原因是在乳糖的诱导下开启了乳糖操纵子
调控机制，表达了与代谢乳糖相关的酶所致。
乳糖操纵子负调控机制如图一、图二所示
a) 乳糖操纵子的阻遏状态
图一
b) 乳糖操纵子的诱导状态
图二
三．乳糖操纵子的正调控（ CAP 的正调控）
阻遏调控机制
阻遏蛋白有活性
阻遏蛋白无活性
三．色氨酸操纵子的弱化调控机制
实验观察表明：当色氨酸达到一定浓度、
但还没有高到能够活化阻遏蛋白使其起阻
遏作用的程度时，产生色氨酸合成酶类的
量已经明显降低，而且产生的酶量与色氨
酸浓度呈负相关。仔细研究发现这种调控
现象与色氨酸操纵子弱化调控机制有关。
在色氨酸mRNA5’端trpE起始密码子前有一段162bp的 DNA序列和核糖体结合位点，称为前导区，实验表明如 果123-150位碱基序列缺失，色氨酸操纵子基因表达量可 提高6倍。如果培养基中存在一定水平的色氨酸，转录
LacZ编码β-半乳糖苷酶，功能是是将乳糖水解为葡萄糖 和半乳糖。 LacY编码β-半乳糖苷透过酶，功能是促进β-半乳糖苷 酶进入细胞。 LacA编码β-半乳糖苷转乙酰基酶，催化将乙酰基团从乙 酰辅酶A转移到β-半乳糖苷分子上。
二．乳糖操纵子的负调控
大肠杆菌在有葡萄糖作为碳源的培养基中生长时，不能代谢乳 糖，因为缺少乳糖代谢的酶。当生长在没有葡萄糖只有乳糖的 培养基中时代谢乳糖的酶量从几个分子迅速增加近千倍，即细
Trp-tRNATrp 没有供应
核糖体翻译停止在片段1 （2个Trp密码子
片段2，3形成发夹结构
转录不终止
RNA聚合酶继续转录
弱化作用的意义
细菌通过弱化作用弥补阻遏作用的不足， 因为阻遏作用只能使转录不起始，对于已 经起始的转录，只能通过弱化作用使之中 途停下来。阻遏作用的信号是细胞内色氨 酸的多少；弱化作用的信号则是细胞内载 有色氨酸的tRNA的多少。它通过前导肽的 翻译来控制转录的进行，在细菌细胞内这 两种作用相辅相成，体现着生物体内周密 的调控作用。
对。而3-4配对区正好位于终止密码子识别区，
当这个区域发生破坏自我碱基突变，有利于转
录的继续进行。
色氨酸弱化机制
高Trp时：
Trp-tRNATrp 存在
核糖体通过片段1(2个Trp密码子)
封闭片段2
片段3，4形成发夹结构
RNA聚合酶停止转录,产生衰减子转录产物
转录、翻译偶联,产生前导肽
低Trp时:
能被调节，因此这个区域被称为弱化子或衰减子。
该区域序列的mRNA可通过自我配对形成茎-环结构，
构
mRNA前导区序列分析
trp前导区的碱基序列已经全部测定，发现完整 的前导序列可分为1、2、3、4区域，这四个区 域的片段能以两种不同的方式进行碱基配对， 有时以1-2和3-4配对，有时只以2-3方式互补配
提要内容
◦ 色氨酸操纵子的结构
◦ 色氨酸操纵子的阻遏调控机制 ◦ 色氨酸操纵子的弱化调控机制
一．色氨酸操纵子的结构
特点
（1）trpR与trpABCDE不连锁；
（2）操纵基因与启动子部分重叠
（3）有衰减子（attenuator）/弱化子
（4）启动子与结构基因不直接相连，二者被 前导序列（ Leader）所隔开
乳糖操纵子的表达调控
一．乳糖操纵子的基本结构
基本结构
大肠杆菌乳糖操纵子是大肠杆菌DNA的一个特定区段，由 调节基因I，CAP结合位点，启动基因P，操纵基因O和结构 基因Z，Y，A组成。 P区是转录起始时RNA聚合酶的结合部位。 O区是阻遏蛋白的结合部位，其功能是控制结构基因的转 录。 I基因通常进行转录和翻译，产生有活性的阻遏蛋白。
在lac操纵子的启动子Plac上游端有一段序列与Plac部分重叠的
序列，能与CAP特异结合，称为CAP结合位点（CAP binding
site）。CAP与这段序列结合时，可增强RNA聚合酶的转录活
性，使转录提高50倍。相反，当有葡萄糖可供分解利用时，
cAMP浓度降低，CRP不能被活化，lac操纵子的结构基因表达
下降。这就是乳糖操纵子的正调控。
乳糖操纵子的正调控机制如图三
正调控机制
图三
正调控意义
由于Plac是弱启动子，单纯因乳糖的存在发生去阻遏
使lac操纵子转录开放，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。lac操纵子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。通过这机制， 细菌是优先利用环境中的葡萄糖，只有无葡萄糖而 又有乳糖时，细菌才去充分利用乳糖。