原核生物乳糖操纵子基因表达调控原理
乳糖操纵子lacoperon
组成型突变： lacOc
目录
组成型突变： lacI-
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二 色氨酸操纵子
(一) 色氨酸操纵子的结构与功能 (二) 色氨酸操纵子的阻遏调节系统 （三）色氨酸操纵子的弱化机制
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(一) 色氨酸操纵子的结构与功能
1．色氨酸操纵子模型： 由雅各布（Jacob F.）和莫诺（Monod J.）
(Catabolite Activator Protein site)
CAP 变构
CAP变构激活
CAP: 代谢物激活蛋白 目 录
(三)乳糖操纵子调控区的突变效应
已经分离在有诱导物或没有诱导物的情况 下都能产生lacmRNA的突变体，这种失去 调节能力的突变体称为永久型突变体，为 分两类：I型和O型。 I型：野生型为I+，突变型为IO型：野生型为O+，突变型为Oc。
原核生物调控
操纵子是原核生物转录调控的主要形式
操纵子：是基因表达的协调单位， 由启动子、操纵基因及其所控制的一组 功能上相关的结构基因所组成。操纵基 因受调节基因产物的控制。
目录
原核生物 —— 操纵子(operon)
启动子 (promoter)
结构基因
调节基因
操纵基因 (operator)
(1)结构基因:产生mRNA并作为模板合成蛋白质
目录
Trp 操纵子----产物阻遏常规酶的合成
调节基因
操纵基因
结构基因
阻遏蛋白
酶代谢产物一旦大量积累
阻遏蛋白不能与操纵基因结合，所以结构基因表达。 阻遏蛋白被产物激活，结构基因不表达。
mRNA 酶蛋白
目录
二 色氨酸操纵子的阻遏调节系统
调节区
trpR RNA聚P合酶O
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
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。
乳糖操纵子ppt课件
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
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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
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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。
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Lac阻抑物的结构特征
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N end C end
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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
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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)
乳糖操纵子表达调控
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。
➢ 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 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。
色氨酸弱化机制
高Trp时：
Trp-tRNATrp 存在
核糖体通过片段1(ห้องสมุดไป่ตู้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:
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
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。
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。
乳糖操纵子
❖ 属于这种调节方式的有：大肠杆菌中的色氨酸操纵子、苯丙氨酸 操纵子、苏氨酸操纵子、异亮氨酸操纵子和缬氨酸操纵子以及沙 门氏菌的组氨酸操纵子和亮氨酸操纵子、嘧啶合成操纵子等等。
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第八页，编辑于星期日：二十一点 十五分。
第一节 原核基因表达调控总论
4. 降解物对基因活性的调节
影响。
在真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平和发育阶段 是基因表达调控的最主要手段，营养和环境因素的影响力 大为下降。
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第二页，编辑于星期日：二十一点 十五分。
第一节 原核基因表达调控总论
❖ 在转录水平上对基因表达的调控决定于DNA的结构 、RNA聚合酶的功能、蛋白因子及其他小分子配基的 相互作用。
❖ 有葡萄糖存在的情况下，即使在细菌培养基中加入乳糖、半乳 糖、阿拉伯糖或麦芽糖等诱导物，与其相对应的操纵子也不会 启动，不会产生出代谢这些糖的酶来，这种现象称为葡萄糖效
应或称为降解物抑制作用。
❖ 降解物抑制作用是通过提高转录强度来调节基因表达的，是一 种积极的调节方式。
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第二节 乳糖操纵子
2. 操纵子模型及其影响因子
❖ Jacob和Monod通过大量实验及分析，建立了现在已经被人们 广泛接受的乳糖操纵子的控制模型。内容如下： Z、Y、A基因产物由同一条多顺反子mRNA分子所编码 该mRNA分子的启动区（P）位于阻遏基因（I）与操纵区（ O）之间，不能单独起始半乳糖苷酶和透过酶基因的高效表达。 操纵区是DNA上的一小段序列（仅为26bp），是阻遏物的
原核生物的基因表达调控调控
第九章原核生物的基因表达调控调控第一节转录起始调控一、乳糖操纵子1961年Jacob和Monod，提出了操纵子模型。
操纵子是原核生物基因表达和调控的单元。
典型的操纵子包括一组结构基因和调节结构基因转录所需的顺式作用序列，这些序列包括启动子（promoter）、操纵基因（operator）以及其他与转录调控有关的序列。
一个操纵子的所有结构基因均由同一启动子起始转录并受到相同调控元件的调节，所以从结构上可以把它们看作一个整体。
操纵子的结构基因编码在某一特定代谢途径中起作用的酶，它们被转录成一条多顺反子mRNA，这是原核生物的典型特征。
1、乳糖操纵子的结构乳糖操纵子具有三个结构基因：lacZ编码β－半乳糖苷酶，它可将乳糖水解为半乳糖和葡萄糖；lacY编码乳糖转移酶，该蛋白插入细胞膜中，将乳糖转运到细胞内；lacA编码硫代半乳糖苷乙酰转移酶，该酶的作用是消除同时被乳糖转移酶转运到细胞内的硫代半乳糖苷对细胞造成的毒性。
2、乳糖操纵子的阻遏与诱导lacI编码的阻遏蛋白以四聚体的形式与操纵基因结合，关闭三个结构基因的表达。
由于阻遏蛋白偶尔会脱离操纵子基因，所以操纵子的转录并非完全关闭，仍会有本底水平的表达，细胞内会有几个分子的β－半乳糖苷酶和透性酶。
当培养基中加入乳糖后，细胞中所含的少量的透性酶，使细胞能够吸收乳糖，β－半乳糖苷酶则催化一些乳糖转化为异乳糖。
异乳糖可作为诱导物结合到阻遏蛋白上，从而引起阻遏物四聚体构象的变化，降低了阻遏蛋白与操纵基因的亲和力，导致阻遏蛋白从操纵序列上脱离下来。
RNA聚合酶迅速开始lacZYA基因的转录。
3、葡萄糖对lac操纵子表达的影响葡萄糖是细菌优先利用的糖类。
当葡萄糖和其他糖类（比如乳糖）同时存在时，细菌只利用葡萄糖而不代谢别的糖类。
因此，乳糖操纵子只有在乳糖存在，同时葡萄糖缺乏时才会高水平表达。
原因是乳糖操纵子除了受阻遏蛋白的调节，还要受到分解代谢活化子蛋白（catabolic activator protein，CAP）的调节。
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原核生物中，乳糖操纵子是一种在乳糖存在时调控基因表达的元件。
这种调控机制广泛存在于大肠杆菌等细菌中，它允许细菌在环境中检测到乳糖的存在并调整相关基因的表达。
以下是原核生物中乳糖操纵子基因表达调控的基本原理：
1. 乳糖操纵子的组成：
- 乳糖操纵子包括两个基本部分，一个是操纵子的操作元件（operator），另一个是调控基因的操纵子结合蛋白（repressor protein）。
2. 操作元件（Operator）：
- 操纵子的操作元件是一个DNA序列，位于被调控的基因的上游区域。
- 操纵子的操作元件是乳糖操纵子的结合位点，调控蛋白可以与其结合。
3. 调控基因的操纵子结合蛋白：
- 调控基因的操纵子结合蛋白通常是一个负调控因子，即在没有乳糖的情况下，它会结合到操作元件上，阻止RNA聚合酶的结合，从而抑制基因的转录。
4. 乳糖的作用：
- 当细菌环境中存在乳糖时，乳糖分子会与调控基因的操纵子结合蛋白发生结合。
- 乳糖结合到操纵子结合蛋白后，导致蛋白的构象发生变化，无法再结合到操纵子的操作元件上。
5. 操纵子的操作元件的解离：
- 由于操纵子结合蛋白不能再结合到操作元件上，RNA聚合酶得以在操作元件上结合并启动被调控基因的转录。
6. 基因的表达：
- 乳糖操纵子的解离使RNA聚合酶能够转录下游基因，从而启动基因的表达，产生相关的蛋白质。
通过这个机制，原核生物能够根据环境中乳糖的存在与否，灵活地调控基因的表达，以适应不同的代谢和生存需求。
这种调控机制是一种典型的负调控，其中乳糖的存在解除了负调控因子对基因的抑制。