典型乳糖操纵子的诱导原理 ppt课件
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典型乳糖操纵子的诱导原理.ppt
乳糖操纵子是细菌中一组功能相关的基因，它们共同控制乳糖的代谢过程。乳糖操纵子的基本结构包括结构基因、启动子、操纵基因和阻遏物基因。结构基因是负责编码代谢乳糖所需的酶，包括β-半乳糖苷酶、β-半乳糖苷透过酶和β-半乳糖苷乙酰基转移酶。启动子是位于结构基因上游的一段DNA序列，能被RNA聚合酶识别并结合，从而启动基因的转录过程。操纵基因则是位于启动子和结构基因之间的一பைடு நூலகம்DNA序列，能被阻遏蛋白特异性结合，从而调控基因的转录。阻遏物基因则负责编码阻遏蛋白，这些蛋白能结合到操纵基因上，阻止RNA聚合酶的转录，从而实现对基因表达的负调控。此外，乳糖操纵子还包括CAP结合位点，这是环cAMP受体蛋白的结合位点，与乳糖操纵子的诱导表达有关。乳糖操纵子的这些组成部分共同协作，实现了对乳糖代谢的精细调控。
乳糖操纵子概述课件
02
它能够根据环境中乳糖的存在与 合成。
结构
乳糖操纵子包括三个结构基因Z、Y、A，分别编码半乳糖苷酶、半乳糖 苷透酶和半乳糖苷乙酰转移酶。
调节基因I编码一种阻遏蛋白，当阻遏蛋白与乳糖或其类似物结合时，会 阻止RNA聚合酶对结构基因的转录。
药物研发
乳糖操纵子的调控机制为药物研发提供了新的思路，通过研究乳糖操纵子相关 基因的功能和调控机制，有助于发现新的药物靶点，为开发新型药物提供支持。
05
乳糖操纵子的未来展望
乳糖操纵子在生物工程领域的发展前景
生物制药
利用乳糖操纵子构建高表达的基 因工程菌，提高生物制药的产量
和效率。
生物能源
通过优化乳糖操纵子提高微生物对 生物燃料的产量和效率，降低生产 成本。
技术改进
随着基因敲除技术的不断改进，科学 家们能够更精确地研究乳糖操纵子中 单个基因的功能，为深入了解乳糖操 纵子的调控机制提供了有力支持。
乳糖操纵子在基因表达调控中的研究进展
转录水平调控
乳糖操纵子在基因表达调控中发挥着重要作用，通过转录水 平调控，可以调节乳糖操纵子相关基因的表达，进而影响细 菌对乳糖的代谢。
生物肥料
利用乳糖操纵子改良微生物，生产 出具有高效固氮能力的生物肥料。
乳糖操纵子在基因表达调控研究中的发展前景
01
02
03
基因表达机制研究
深入探究乳糖操纵子的工 作机制，为基因表达调控 研究提供更多理论支持。
基因治疗
利用乳糖操纵子实现对特 定基因的表达调控，为基 因治疗提供新的手段。
合成生物学
在合成生物学领域，乳糖 操纵子作为基因表达调控 元件，为构建人工生物系 统提供有力工具。
当环境中没有乳糖存在时，阻遏蛋白会与乳糖操纵子结合，抑制结构基 因的表达。当环境中存在乳糖时，乳糖会与阻遏蛋白结合，使其从操纵 子上解离，从而允许结构基因的表达。
它能够根据环境中乳糖的存在与 合成。
结构
乳糖操纵子包括三个结构基因Z、Y、A，分别编码半乳糖苷酶、半乳糖 苷透酶和半乳糖苷乙酰转移酶。
调节基因I编码一种阻遏蛋白，当阻遏蛋白与乳糖或其类似物结合时，会 阻止RNA聚合酶对结构基因的转录。
药物研发
乳糖操纵子的调控机制为药物研发提供了新的思路，通过研究乳糖操纵子相关 基因的功能和调控机制，有助于发现新的药物靶点，为开发新型药物提供支持。
05
乳糖操纵子的未来展望
乳糖操纵子在生物工程领域的发展前景
生物制药
利用乳糖操纵子构建高表达的基 因工程菌，提高生物制药的产量
和效率。
生物能源
通过优化乳糖操纵子提高微生物对 生物燃料的产量和效率，降低生产 成本。
技术改进
随着基因敲除技术的不断改进，科学 家们能够更精确地研究乳糖操纵子中 单个基因的功能，为深入了解乳糖操 纵子的调控机制提供了有力支持。
乳糖操纵子在基因表达调控中的研究进展
转录水平调控
乳糖操纵子在基因表达调控中发挥着重要作用，通过转录水 平调控，可以调节乳糖操纵子相关基因的表达，进而影响细 菌对乳糖的代谢。
生物肥料
利用乳糖操纵子改良微生物，生产 出具有高效固氮能力的生物肥料。
乳糖操纵子在基因表达调控研究中的发展前景
01
02
03
基因表达机制研究
深入探究乳糖操纵子的工 作机制，为基因表达调控 研究提供更多理论支持。
基因治疗
利用乳糖操纵子实现对特 定基因的表达调控，为基 因治疗提供新的手段。
合成生物学
在合成生物学领域，乳糖 操纵子作为基因表达调控 元件，为构建人工生物系 统提供有力工具。
当环境中没有乳糖存在时，阻遏蛋白会与乳糖操纵子结合，抑制结构基 因的表达。当环境中存在乳糖时，乳糖会与阻遏蛋白结合，使其从操纵 子上解离，从而允许结构基因的表达。
乳糖操纵子的调控机理PPT课件
-
27
当有色氨酸时
无色氨酸时
-
28
色氨酸操纵子中的操纵基因和衰减子可以起双重负 调节作用。衰减子可能比操纵基因更灵敏， 只要 色氨酸一增多，即使不足以诱导阻遏蛋白结合操纵 基因，就足可以使大量的mRNA提前终止。反之， 当色氨酸减少时，即使失去了诱导阻遏蛋白的阻遏 作用，但只要还可以维持前导肽的合成，仍继续阻 止转录。这样可以保证细菌对色氨酸的充分利用。 防止堆积。
-
36
4、翻译产物对mRNA的翻译进行调控
有些mRNA编码的蛋白质，本身也可以对 相应的mRNA的翻译过程产生调节作用，这 是一种自身翻译调控作用。 ①核糖体蛋白翻译的自身调控 ② 翻译的RF2调节自身的翻译
UGAC
25
315
编码RF2蛋白m- RNA
37
5、小分子RNA抑制特定mRNA的翻译
❶小分子RNA调整基因表达产物的类型：
成
-
30
-
31
二、翻译水平的调控
1、SD序列对翻译的影响
SD序列(Shine-Dalgarno sequence)： mRNA起 始密码前的一段富含嘌呤核苷酸的序列。(9-12bp)
❶SD序列的差异对翻译的影响 ❷ SD序列位置对翻译的影响
-
32
-
33
2、mRNA二级结构隐蔽SD序列
某些mRNA分子中，核糖体结合位点在一个二级 结构中（茎环）中，使核糖体无法结合，只有 打破茎环结构，核糖体才能结合。例如：带有 红霉素抗性的细菌
•基因表达调控的环节：
–基因活化、转录、转录后加工、翻译、 翻译后加工
-
6
第一节 原核生物基因表达调控
一、转录水平的调控是原核生物的主要调控环节
乳糖操纵子ppt课件
30
操纵子调控模型的提出
1961年，Monod和Jacob 提出了操纵子模型学说。
获1965年诺贝尔生理学 和医学奖
Monod and Jacob
31
乳糖操纵子的结构 操纵区 启动子
调节基因
阻遏物
3个结构基因
32
结构基因的功能
Z基因：编码β-半乳糖苷酶。将乳糖水解成葡萄糖 和半乳糖。
当 I 基因由弱启动子突变成强启动子，细胞内就不 可能产生足够的诱导物来克服阻遏状态，整个lac操 纵子在这些突变体中就不可诱导。
52
Lac阻抑物的结构特征
53
N end C end
54
Repressor maintains the lac operon in the inactive condition by binding to
LacZ PO
LacY
LacA
Constitutive express
mRNA
Iso-lactose
Gene : ON β-Galactosidase mRNA product Permease
Iso-lactose
Transacetylase
39
乳糖操纵子调控模型特点 主要内容： ① Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子的
指能直接或间接地识别或结合在各类顺式作用元件 核心序列上，参与调控靶基因转录效率的蛋白质（有时 为RNA）。也称转录因子。
17
基因表达的调控方式
阻遏
负调控:调控蛋白+DNA序列 基因的表达
阻遏蛋白
(相应蛋白质降低)
促进
正调控:调控蛋白+DNA序列 基因的表达
激活蛋白
(相应蛋白质增加)
操纵子调控模型的提出
1961年，Monod和Jacob 提出了操纵子模型学说。
获1965年诺贝尔生理学 和医学奖
Monod and Jacob
31
乳糖操纵子的结构 操纵区 启动子
调节基因
阻遏物
3个结构基因
32
结构基因的功能
Z基因：编码β-半乳糖苷酶。将乳糖水解成葡萄糖 和半乳糖。
当 I 基因由弱启动子突变成强启动子，细胞内就不 可能产生足够的诱导物来克服阻遏状态，整个lac操 纵子在这些突变体中就不可诱导。
52
Lac阻抑物的结构特征
53
N end C end
54
Repressor maintains the lac operon in the inactive condition by binding to
LacZ PO
LacY
LacA
Constitutive express
mRNA
Iso-lactose
Gene : ON β-Galactosidase mRNA product Permease
Iso-lactose
Transacetylase
39
乳糖操纵子调控模型特点 主要内容： ① Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子的
指能直接或间接地识别或结合在各类顺式作用元件 核心序列上，参与调控靶基因转录效率的蛋白质（有时 为RNA）。也称转录因子。
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基因表达的调控方式
阻遏
负调控:调控蛋白+DNA序列 基因的表达
阻遏蛋白
(相应蛋白质降低)
促进
正调控:调控蛋白+DNA序列 基因的表达
激活蛋白
(相应蛋白质增加)
典型乳糖操纵子的诱导原理PPT课件
▪
乳糖操纵子诱导物
▪
是 诱 导 物
别 乳 糖
(allolactose)
为什么选用IPTG作诱导物？
▪ 能诱导酶的合成，但又不被分解的分子,称为安慰 诱导物（gratuitous inducer）。
▪ 由于乳糖虽可诱导酶的合成，但又随之分解，产 生很多复杂的动力学问题，因此人们常用安慰诱 导物来进行各种实验。
cAMP
Repressor
cAMP
CAP
Lac操纵子基因表达受阻遏蛋白和 CAP的双重调控
▪ 负调节与正调节协调合作
➢ 阻遏蛋白封闭转录时，CAP不发挥作用 ➢ 如没有CAP加强转录，即使阻遏蛋白R从P上解聚仍
无强大转录活性
☆葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌优先利用葡萄 糖
➢ 葡萄糖可降低cAMP浓度，阻碍其与CAP结合从而抑制转 录
➢ 可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏 (repression）。
协调表达
(coordinate expression)
在一定机制控制下，功能上相关的一组 基因，无论其为何种表达方式，均需协调 一致、共同表达，使各表达产物的分子比 例适当，从而正常发挥功能。这种现象称 为协调表达 (coordinate expression)，这 种调节称为协调调节 (coordinate regulation)。
LacY LRacNAA Pol.
CAP
cAMP
cAMP
CAP
The Lac Operon:
When Neither Lactose Nor Glucose Is Present
Alright, I’m off to
the races . . .
Hey man, I’m
乳糖操纵子诱导物
▪
是 诱 导 物
别 乳 糖
(allolactose)
为什么选用IPTG作诱导物？
▪ 能诱导酶的合成，但又不被分解的分子,称为安慰 诱导物（gratuitous inducer）。
▪ 由于乳糖虽可诱导酶的合成，但又随之分解，产 生很多复杂的动力学问题，因此人们常用安慰诱 导物来进行各种实验。
cAMP
Repressor
cAMP
CAP
Lac操纵子基因表达受阻遏蛋白和 CAP的双重调控
▪ 负调节与正调节协调合作
➢ 阻遏蛋白封闭转录时，CAP不发挥作用 ➢ 如没有CAP加强转录，即使阻遏蛋白R从P上解聚仍
无强大转录活性
☆葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌优先利用葡萄 糖
➢ 葡萄糖可降低cAMP浓度，阻碍其与CAP结合从而抑制转 录
➢ 可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏 (repression）。
协调表达
(coordinate expression)
在一定机制控制下，功能上相关的一组 基因，无论其为何种表达方式，均需协调 一致、共同表达，使各表达产物的分子比 例适当，从而正常发挥功能。这种现象称 为协调表达 (coordinate expression)，这 种调节称为协调调节 (coordinate regulation)。
LacY LRacNAA Pol.
CAP
cAMP
cAMP
CAP
The Lac Operon:
When Neither Lactose Nor Glucose Is Present
Alright, I’m off to
the races . . .
Hey man, I’m
典型乳糖操纵子的诱导原理
▪ 诱导剂(inducer): 别乳糖、半乳糖、 IPTG（异丙基硫代半乳糖苷）
The Lac Operon:
When Glucose Is Present But Not Lactose
•Hey man, I’m •constitutive
•Come on, • let me through
•Repressor
••PRroNmAoter
•Operator
பைடு நூலகம்
•LacZ
•CgAP •Pol.
•cAMP
•Repressor • mRNA
•X •Repressor
•Repressor
•LacY •L••RaPcNoAlA.
•CAP
•cAMP
•Repressor
•This lactose has • bent me
•out of shape
▪ 葡萄糖效应：当细菌在含有葡萄糖套和乳糖的培养基中生 长时，通常优先利用葡萄糖。只有当葡萄糖消耗完，经过 一段停滞期，在乳糖的诱导下半乳糖苷酶开始合成，细菌 才能充分利用乳糖。
▪ 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。
•Hey man, I’m •constitutive
•Yeah…!
•Repressor
•CA P •Bindin
••PRroNmAoter
•Operator
•LacZ
g •Pol.
•Repressor • mRNA
The Lac Operon:
When Glucose Is Present But Not Lactose
•Hey man, I’m •constitutive
•Come on, • let me through
•Repressor
••PRroNmAoter
•Operator
பைடு நூலகம்
•LacZ
•CgAP •Pol.
•cAMP
•Repressor • mRNA
•X •Repressor
•Repressor
•LacY •L••RaPcNoAlA.
•CAP
•cAMP
•Repressor
•This lactose has • bent me
•out of shape
▪ 葡萄糖效应：当细菌在含有葡萄糖套和乳糖的培养基中生 长时，通常优先利用葡萄糖。只有当葡萄糖消耗完，经过 一段停滞期，在乳糖的诱导下半乳糖苷酶开始合成，细菌 才能充分利用乳糖。
▪ 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。
•Hey man, I’m •constitutive
•Yeah…!
•Repressor
•CA P •Bindin
••PRroNmAoter
•Operator
•LacZ
g •Pol.
•Repressor • mRNA
乳糖操纵子 ppt课件
➢ 基因表达（gene expression）:基因转录及翻译 的过程，或基因指导下RNA和蛋白质的合成过程。 rRNA、tRNA编码基因转录合成RNA的过程也属于
基因表达
➢ 组成性表达(constitutive expression)：不易受 环境变化而变化的一类基因的表达。
➢ 基因的差别表达(differential gene expression): 在个体发育中，某些基因在特定条件下才进行表达，
结合操纵基因的。当诱导物在相应位点结合时，
它改变了阻遏蛋白的构象，干扰了另一位点的 活性。这种类型的调控叫变构调控
2020/12/2
20
多亚基蛋白具有特殊的遗传特性
• 活性抑制物是有4个相同的亚基组成的四聚体
• 当野生型和突变型亚基都存在时，一个
突变
型的亚基可以导致整个四聚体的失活，即使另外三
个亚基都是野生型的（即显性负效应）。
2020/12/2
11
➢ 负转录调控：调节基因的产物是阻遏蛋白（repressor），起
着阻止结构基因转录的作用。
负控诱导：阻遏蛋白与效应物（诱导物）结合时，阻遏蛋白无
活性, 不与调控区（顺式作用元件）结合，结构基因转录。
负控阻遏：阻遏蛋白与效应物（辅阻遏物）结合时，阻遏蛋白
有活性，与调控区（顺式作用元件）结合，结构基因不转录。
Activat or
protein Not bound
to DNA
Not bound to DNA
Repressor protein
Lifted off operator site
Bound to operator site
RNA polymeras
e
Keeps falling off promoter
基因表达
➢ 组成性表达(constitutive expression)：不易受 环境变化而变化的一类基因的表达。
➢ 基因的差别表达(differential gene expression): 在个体发育中，某些基因在特定条件下才进行表达，
结合操纵基因的。当诱导物在相应位点结合时，
它改变了阻遏蛋白的构象，干扰了另一位点的 活性。这种类型的调控叫变构调控
2020/12/2
20
多亚基蛋白具有特殊的遗传特性
• 活性抑制物是有4个相同的亚基组成的四聚体
• 当野生型和突变型亚基都存在时，一个
突变
型的亚基可以导致整个四聚体的失活，即使另外三
个亚基都是野生型的（即显性负效应）。
2020/12/2
11
➢ 负转录调控：调节基因的产物是阻遏蛋白（repressor），起
着阻止结构基因转录的作用。
负控诱导：阻遏蛋白与效应物（诱导物）结合时，阻遏蛋白无
活性, 不与调控区（顺式作用元件）结合，结构基因转录。
负控阻遏：阻遏蛋白与效应物（辅阻遏物）结合时，阻遏蛋白
有活性，与调控区（顺式作用元件）结合，结构基因不转录。
Activat or
protein Not bound
to DNA
Not bound to DNA
Repressor protein
Lifted off operator site
Bound to operator site
RNA polymeras
e
Keeps falling off promoter
乳糖操纵子PPT课件
在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白 (activator)。也可根据激活蛋白的作用性质分为正控诱 导系统和正控阻遏系统。
阻遏蛋白
激活蛋白
转录激活 转录抑制
负控诱导 负控阻遏
正控诱导 正控阻遏
2020/6/25
4
.
2020/6/25
5
.
第一节 原核基因表达调控总论
1. 原核基因调控分类
第一节 原核基因表达调控总论
随着生物个体的发育，DNA分子能有序地将其所 承载的遗传信息，通过密码子-反密码子系统转变成 蛋白质，执行各种生理生化功能。
科学家把从DNA到蛋白质的过程称为基因表达 （gene expression） ，对这个过程的调节就称为基 因表达调控（gene regulation，gene control）。
2020/6/25
10
.
第二节 乳糖操纵子
❖ 1961年，Jacob和Monod提出了操纵子模型，这是与特殊 代谢途径有关的基因转录的协同调控模型。
❖ 操纵子是基因表达和调控的单元，典型的操纵子包括:
结构基因（除调节基因以外的所有基因），编码那些在 某一特定的生物合成途径中起作用的、其表达被协同调 控的酶。
2020/6/25
9
.
第一节 原核基因表达调控总论
5.细菌的应急反应
❖ 细菌有时会碰到紧急状况，比如氨基酸饥饿——氨基酸的 全面匮乏。细菌会产生一个应急反应——停止包括生产各 种RNA、糖、和蛋白质的几乎全部生物化学反应过程。
❖ 实施这一应急反应的信号是鸟苷四磷酸(ppGpp)和鸟苷五磷 酸(pppGpp)。产生这两种物质的诱导物是空载tRNA。
2020/6/25
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阻遏蛋白
激活蛋白
转录激活 转录抑制
负控诱导 负控阻遏
正控诱导 正控阻遏
2020/6/25
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2020/6/25
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第一节 原核基因表达调控总论
1. 原核基因调控分类
第一节 原核基因表达调控总论
随着生物个体的发育，DNA分子能有序地将其所 承载的遗传信息，通过密码子-反密码子系统转变成 蛋白质，执行各种生理生化功能。
科学家把从DNA到蛋白质的过程称为基因表达 （gene expression） ，对这个过程的调节就称为基 因表达调控（gene regulation，gene control）。
2020/6/25
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第二节 乳糖操纵子
❖ 1961年，Jacob和Monod提出了操纵子模型，这是与特殊 代谢途径有关的基因转录的协同调控模型。
❖ 操纵子是基因表达和调控的单元，典型的操纵子包括:
结构基因（除调节基因以外的所有基因），编码那些在 某一特定的生物合成途径中起作用的、其表达被协同调 控的酶。
2020/6/25
9
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第一节 原核基因表达调控总论
5.细菌的应急反应
❖ 细菌有时会碰到紧急状况，比如氨基酸饥饿——氨基酸的 全面匮乏。细菌会产生一个应急反应——停止包括生产各 种RNA、糖、和蛋白质的几乎全部生物化学反应过程。
❖ 实施这一应急反应的信号是鸟苷四磷酸(ppGpp)和鸟苷五磷 酸(pppGpp)。产生这两种物质的诱导物是空载tRNA。
2020/6/25
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乳糖操纵子与负控诱导系统ppt课件
lac mRNA的半衰期很短，故lac mRNA几乎从细胞中消失。而β半乳糖苷酶和乳糖透过酶结构很稳定，但随着细胞分裂而不断的稀 释。
如果在原有的乳糖被撤去后的一个世代中再加入乳糖，这时乳糖 可以被立即开始降解。因为此时细胞内仍有一定浓度的β-半乳糖苷 酶和乳糖透过酶
6.2.2 操纵子模型及其影响因子
半乳糖、麦芽糖等在降 解过程当中均转化为葡 萄糖。这些糖代谢中有 关的酶都是由可诱导的 操纵子控制的，但只要 有葡萄糖存在，这些操 纵子就不表达，被称为 降解物敏感型操纵子。 这些操纵子都是由 cAMP-CRP复合物控制 调节的。
6.2.3 lac操纵子DNA的调控区域——P、O区
分离得到含lac操纵 子的DNA片段中发现P 区一般是从I基因结束 到mRNA转录起始位点 下游5到10bp，而O区 （即阻遏物结合区）位 于-7到+28位，该区的 碱基序列有对称性。
葡萄糖对lac操纵子表达的抑制是间接的。
就是说，不是葡萄糖而是他的降解产物抑制lac mRNA的合成。 科学上把葡萄糖的这种效应叫代谢物阻遏效应。
6.2.2 操纵子模型及其影响因子
5.cAMP与代谢物激活蛋白
cAMP是由ATP转化而来，在腺苷酸环化酶的 作用下。在真核生物的激素调节过程中起重要作 用。
6.2.2 操纵子模型及其影响因子
2.大肠杆菌对乳糖的反应
假设细菌在以甘油为碳 源的培养基中
加入乳糖，在单个β-半乳糖 苷酶作用下生成异构乳糖
lac mRNA编码大量的β-半乳糖 苷酶和乳糖透过酶，结果使乳糖 大量涌进细胞
异构乳糖诱导， 合成lac mRNA
乳糖被降解成为葡萄糖和半乳 糖，乳糖被转换成异构乳糖。
③操纵基因:(控制子O)控制结构基因的转录速度，位于 结构基因的附近，本身不能转录成mRNA。
如果在原有的乳糖被撤去后的一个世代中再加入乳糖，这时乳糖 可以被立即开始降解。因为此时细胞内仍有一定浓度的β-半乳糖苷 酶和乳糖透过酶
6.2.2 操纵子模型及其影响因子
半乳糖、麦芽糖等在降 解过程当中均转化为葡 萄糖。这些糖代谢中有 关的酶都是由可诱导的 操纵子控制的，但只要 有葡萄糖存在，这些操 纵子就不表达，被称为 降解物敏感型操纵子。 这些操纵子都是由 cAMP-CRP复合物控制 调节的。
6.2.3 lac操纵子DNA的调控区域——P、O区
分离得到含lac操纵 子的DNA片段中发现P 区一般是从I基因结束 到mRNA转录起始位点 下游5到10bp，而O区 （即阻遏物结合区）位 于-7到+28位，该区的 碱基序列有对称性。
葡萄糖对lac操纵子表达的抑制是间接的。
就是说，不是葡萄糖而是他的降解产物抑制lac mRNA的合成。 科学上把葡萄糖的这种效应叫代谢物阻遏效应。
6.2.2 操纵子模型及其影响因子
5.cAMP与代谢物激活蛋白
cAMP是由ATP转化而来，在腺苷酸环化酶的 作用下。在真核生物的激素调节过程中起重要作 用。
6.2.2 操纵子模型及其影响因子
2.大肠杆菌对乳糖的反应
假设细菌在以甘油为碳 源的培养基中
加入乳糖，在单个β-半乳糖 苷酶作用下生成异构乳糖
lac mRNA编码大量的β-半乳糖 苷酶和乳糖透过酶，结果使乳糖 大量涌进细胞
异构乳糖诱导， 合成lac mRNA
乳糖被降解成为葡萄糖和半乳 糖，乳糖被转换成异构乳糖。
③操纵基因:(控制子O)控制结构基因的转录速度，位于 结构基因的附近，本身不能转录成mRNA。
典型乳糖操纵子的诱导原理
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。
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）。
诱导和阻遏表达
➢ 诱导（induction）：在特定的环境信号刺激下，相应基因被激活，从 而使基因的表达产物增加。这类基因称为可诱导基因。
➢ 可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为诱导 (induction)。
乳糖 → 利用乳糖的三种酶表达
➢ 阻遏（repression）：在特定环境信号刺激下，相应基因被抑制，从而使基 因的表达产物减少。这类基因称为可阻遏基因。
乳糖操纵子的CAP正调控
（Positive Control of CAP）
当CAP与CAP结合位点这段序列结合时，可 激活RNA转录酶活性，使之提高50X
葡萄糖→ → → → →降解产物
ATP → →cAMP → →5’AMP
CRP（非活性状态） → →CAP（活性状态）
DNA
乳糖操纵子的CAP正调控
▪ 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。
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）。
诱导和阻遏表达
➢ 诱导（induction）：在特定的环境信号刺激下，相应基因被激活，从 而使基因的表达产物增加。这类基因称为可诱导基因。
➢ 可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为诱导 (induction)。
乳糖 → 利用乳糖的三种酶表达
➢ 阻遏（repression）：在特定环境信号刺激下，相应基因被抑制，从而使基 因的表达产物减少。这类基因称为可阻遏基因。
乳糖操纵子的CAP正调控
（Positive Control of CAP）
当CAP与CAP结合位点这段序列结合时，可 激活RNA转录酶活性，使之提高50X
葡萄糖→ → → → →降解产物
ATP → →cAMP → →5’AMP
CRP（非活性状态） → →CAP（活性状态）
DNA
乳糖操纵子的CAP正调控
▪ 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。
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27
The Lac Operon:
When Lactose Is Present But Not Glucose
Hey man, I’m
Bind to me Polymerase
constitutive
Yeah…!
Repressor
CAP
Binding
PRroNmAoter
Operator
Repressor
CAP
Binding
PrRomNoAter
Operator
LacZ
Pol. Repressor
LacY
LacA
Repressor mRNA
No way!
Repressor
CAP
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15
The Lac Operon:
When Lactose Is Present But Not Glucose
LacZ
CAP Pol.
cAMP
Repressor mRNA
X Repressor
Repressor
Repressor
This lactose has bent me
out of shape
LacY LRacNAA Pol.
CAP
cAMP
cAMP
CAP
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28
The Lac Operon:
When Neither Lactose Nor Glucose Is Present
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2
基因的表达方式
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
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3
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
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6
乳糖操纵子的结构和功能
操纵子模型的提出
1960-1961年，莫洛(Monod)和雅各布(Jacob)首次提出“操纵子” 学说。
获1965年诺贝尔生理学和医学奖
1940年， Monod发现：细菌在含葡萄糖和乳糖的培养基上生 长时，细菌先利用葡萄糖，葡萄糖用完后，才利用乳糖；在糖源转 变期，细菌的生长会出现停顿。即产生“二次生长曲线”。
CAP
Pol. Repressor
cAMP
LacA
Repressor mRNA
STOP
Right there
CAP
Polymerase
cAMP
Repressor
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cAMP
CAP 29
Lac操纵子基因表达受阻遏蛋白和 CAP的双重调控
负调节与正调节协调合作
阻遏蛋白封闭转录时，CAP不发挥作用 如没有CAP加强转录，即使阻遏蛋白R从P上解聚仍
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p结pt课合件 于操纵序列位点。
9
乳糖操纵子的结构和功能
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）。
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4
诱导和阻遏表达
诱导（induction）：在特定的环境信号刺激下，相应基因被激 活，从而使基因的表达产物增加。这类基因称为可诱导基因。
可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为诱导 (induction)。 乳糖 → 利用乳糖的三种酶表达
基因 ----启动子(promoter，P)：是指能被RNA聚合酶识别、结合并启动基
因转录的一段DNA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p生pt课阻件遏物(repressor)。
8
乳糖操纵子的结构和功能
CAP(同二聚体),含
DNA结合区 →以二聚体的方式与特定的DNA 序列结合
cAMP结合区→与cAMP特异结合，并发生空
间构象的变化,形成cAMP-CAP复合物（有活性）
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22
乳糖操纵子的CAP正调控
（Positive Control of CAP）
当CAP与CAP结合位点这段序列结合时， 可激活RNA转录酶活性，使之提高50X
阻遏（repression）：在特定环境信号刺激下，相应基因被抑制， 从而使基因的表达产物减少。这类基因称为可阻遏基因。
可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏 (repression）。
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5
协调表达
(coordinate expression)
在一定机制控制下，功能上相关的一组 基因，无论其为何种表达方式，均需协调 一致、共同表达，使各表达产物的分子比 例适当，从而正常发挥功能。这种现象称 为协调表达 (coordinate expression)，这 种调节称为协调调节 (coordinate regulation)。
当一个mRNA含有编码一个以上蛋白质的编码信息，而且 这些蛋白质都是以独立的多肽被翻译时，这样的mRNA称 之多顺反子mRNA。
多顺反子mRNA在细菌中是很普遍的。
多顺反子lac mRNA中的lacZ，lacY，lacA经翻译生成的 产物分别生成代谢分解乳糖的三种酶
始终存在着一定的比例关系ppt(课Z件 : Y : A = 5 : 2 : 1 )
无强大转录活性
☆葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌优先利用葡萄 糖
葡萄糖可降低cAMP浓度，阻碍其与CAP结合从而抑制转 录
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生物学意义
适应环境 （环境中的营养供给时刻可能发生变化。
细菌等原核生物，还有部分单细胞真核生 物就必须对环境的改变做出迅速的反应， 以适应不同的代谢底物）
维持个体生长发育与分化
CAP
有葡萄糖，cAMP浓度低时
不ppt课促件进转录
24
乳糖操纵子的CAP正调控
（Positive Control of CAP）
葡萄糖效应：当细菌在含有葡萄糖套和乳糖的培养基中生 长时，通常优先利用葡萄糖。只有当葡萄糖消耗完，经过 一段停滞期，在乳糖的诱导下半乳糖苷酶开始合成，细菌 才能充分利用乳糖。
合到分散的DNA位点上ppt课。件
13
阻遏蛋白的负调控
(negative control of repressor)
阻遏蛋白的负调节(negative control of repressor)
无乳糖(no lactose): lac操纵元处于阻 遏状态(repression)
有乳糖(presence of lactose)：lac操 纵元即可被诱导 (derepression,induction)
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。
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19
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。
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。
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乳糖操纵子的协调调控
(coordinate regulation)
Alright, I’m off to
the races . . .
Hey man, I’m
Bind to me Polymerase
constitutive
Repressor
CAP
Binding
PrRomNoAter
Operator
Come on, let
me through !
LacZ LacY
别，但它是lac基因簇十分有效的诱导物。
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乳糖操纵子的CAP正调控
（Positive Control of CAP）
CAP(catabolite activator protein)
----分解代谢基因激活蛋白
又称为 CRP (cAMP receptor protein),
lac operon高水平转录必需的一个激活蛋白。
Hey man, I’m constitutive
Yeah…!
Repressor
CAP
Binding
PRroNmAoter
Operator
LacZ
Pol.
Repressor mRNA
X Repressor
LacY
LRacNAA Pol.
Repressor ressor
This lactose has bent me
乳糖操纵子的诱导原理
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1
中心法则(the central dogma)
复制 DNA 转录
逆转录
RNA 复制