第七章 乳糖操纵子

1、主讲人：徐飞主讲人：徐飞武汉生物工程学院武汉生物工程学院 生命科学与技术学院生命科学与技术学院 本章内容本章内容l原核基因表达调控的总论原核基因表达调控的总论l乳糖操纵子与负控诱导系统乳糖操纵子与负控诱导系统l色氨酸操纵子与负控阻遏系统色氨酸操纵子与负控阻遏系统l其他操纵子其他操纵子l固氮基因调控固氮基因调控l转录水平上的其他调控方式转录水平上的其他调控方式l转录后调控转录后调控重点重点重点重点 基因表达基因表达= =基因转录基因转录+ +翻译翻译 基因表达的调控基因表达的调控: : 生物体生物体随时调整不同基因的表达状态随时调整不同基因的表达状态, ,以适应环境以适应环境、维持生长维持生长和

2、和发育发育需要。需要。 什么是基因表达与什么是基因表达与调控？调控？7.1 7.1 基因表达调控总论基因表达调控总论面对恶劣环境，面对恶劣环境， 适者生存。适者生存。 基因表达调控的生物学意义基因表达调控的生物学意义（1 1）基因表达调控的概念）基因表达调控的概念l 同一细胞内，有的基因表达高，有的表达量低，甚同一细胞内，有的基因表达高，有的表达量低，甚至不表达。至不表达。l 不同的组织器官，基因表达数目及表达量不同不同的组织器官，基因表达数目及表达量不同。l 同一基因在不同组织器官中表达量也不相同。同一基因在不同组织器官中表达量也不相同。l 仅少部分基因仅少部分基因在不同细胞类型及生长发育时

3、期表达在不同细胞类型及生长发育时期表达相同，这类基因被称为相同，这类基因被称为组成性表达基因，或被称为组成性表达基因，或被称为管家基因管家基因。l 与细胞分化，组织、器官及生物体适应环境所需而与细胞分化，组织、器官及生物体适应环境所需而表达的基因，被称为表达的基因，被称为适应性表达基因，或被称为奢适应性表达基因，或被称为奢侈基因侈基因。（2）基因表达模式）基因表达模式转录水平调控转录后水平调控（3 3）基因的表达调控方式）基因的表达调控方式原核生物与真核生物转录及翻译调控的总体特征原核生物与真核生物转录及翻译调控的总体特征 根据调控机制：根据调控机制：7.1.1 7.1.1 原核基因表达调控分

4、类原核基因表达调控分类负转录调控负转录调控正转录调控正转录调控调节基因编码阻遏蛋白，调节基因编码阻遏蛋白，阻止结构基因转录。阻止结构基因转录。调节基因编码激活蛋白，调节基因编码激活蛋白，促进结构基因转录。促进结构基因转录。正控诱导正控诱导正控阻遏正控阻遏负控诱导负控诱导负控阻遏负控阻遏几个重要概念几个重要概念n 结构基因与调节基因结构基因与调节基因n 阻遏物、操纵基因与操纵子阻遏物、操纵基因与操纵子n 正调控与负调控正调控与负调控n 诱导与阻遏诱导与阻遏n 顺式作用元件与反式作用因子顺式作用元件与反式作用因子操纵序列操纵序列多个结构基因多个结构基因l 结构基因（结构基因（structural

5、gene） 编码编码各类具有不同结构和功能的蛋白质和各类具有不同结构和功能的蛋白质和RNA的基因的基因。1. 结构基因与调节基因结构基因与调节基因操纵序列操纵序列多个结构基因多个结构基因RNAProl调节基因调节基因（regulator gene） 编码编码蛋白质或蛋白质或RNA来调节其他基因表达的来调节其他基因表达的基因。基因。1. 结构基因与调节基因结构基因与调节基因操纵序列操纵序列多个结构基因多个结构基因n 阻遏物（阻遏物（repressor）:阻止基因表达的蛋白质，可阻止基因表达的蛋白质，可与与操纵基因结合来阻止转录操纵基因结合来阻止转录或结合或结合RNA来阻止蛋白质来阻止蛋白质的翻译

6、。的翻译。n 操纵基因（操纵基因（operator）: DNA上的一个位点，上的一个位点，阻遏物阻遏物能与之结合抑制相邻启动子起始转录能与之结合抑制相邻启动子起始转录。n 操纵子（操纵子（operon）:细菌基因表达和调控的单位细菌基因表达和调控的单位，包，包括结构基因和能被调控基因产物识别的括结构基因和能被调控基因产物识别的 DNA控制元控制元件。件。2. 阻遏物、操纵基因与操纵子阻遏物、操纵基因与操纵子p 正调控（正调控（positive control）: 调节基因调节基因编码编码的激活因子通过与启动子元件结合来的激活因子通过与启动子元件结合来促进基促进基因的表达因的表达。p负调控（负调

7、控（negative control）:调节基因调节基因编码阻编码阻抑因子与操纵基因结合来抑因子与操纵基因结合来阻止基因的表达阻止基因的表达。3. 正调控与负调控正调控与负调控： 通过通过小分子小分子诱导物参与诱导物参与, 使阻抑物失活使阻抑物失活或活或活化激活剂化激活剂来实现对基因或操纵子表达的调控来实现对基因或操纵子表达的调控 。通过小分子通过小分子辅阻遏物辅阻遏物参与参与，使使激活剂失活激活剂失活或活化阻抑物或活化阻抑物来实现基因或操纵子不表达的调来实现基因或操纵子不表达的调控。控。4. 诱导与阻遏诱导与阻遏顺式作用元件（顺式作用元件（cis-acting element）: 指指与结构

8、基因串联的特定与结构基因串联的特定DNADNA序列序列，包括，包括启动子启动子、增强子增强子、调控序列调控序列和和可诱导元件可诱导元件等；等；顺式作用元件要顺式作用元件要与与反式作用因子相互作用而起作用反式作用因子相互作用而起作用。u 反式作用因子（反式作用因子（trans-acting factor）: 指指能能直接或间接地识别或结合直接或间接地识别或结合在各类在各类顺式作用元件顺式作用元件核心序列核心序列上上，参与参与调控靶基因转录效率的调控靶基因转录效率的蛋白质（有时蛋白质（有时为为RNA）。）。也称转录因子也称转录因子。5. 顺式作用元件与反式作用因子顺式作用元件与反式作用因子阻遏蛋白

9、阻遏蛋白激活蛋白激活蛋白n 开启开启关闭关闭n 负转录调控分类负转录调控分类: :负控诱导负控诱导负控阻碍负控阻碍阻遏蛋白阻止基因转录，与效应物阻遏蛋白阻止基因转录，与效应物结合后基因表达结合后基因表达阻遏蛋白无活性，与效应物结合后阻遏蛋白无活性，与效应物结合后阻止基因转录阻止基因转录n 正转录调控分类正转录调控分类: :正控诱导正控诱导正控阻碍正控阻碍激活蛋白与效应物结合后激活基因激活蛋白与效应物结合后激活基因转录转录激活蛋白与效应物结合后阻遏基因激活蛋白与效应物结合后阻遏基因转录转录基因基因表达表达调控调控4种种模型模型负控诱导正控诱导负控阻遏正控阻遏7.1.2 原核生物表达调控的原核生物

10、表达调控的主要特点主要特点 分解代谢蛋白的基因分解代谢蛋白的基因可诱导调节可诱导调节可阻遏调节可阻遏调节 基本原理基本原理小结小结 原核基因表达调控的特点 原核基因表达调控的分类 几个重要概念7.2 7.2 乳糖操纵子与负控诱导乳糖操纵子与负控诱导 操纵子调控模型操纵子调控模型l 19611961年，年，MonodMonod和和JacobJacob提出了操纵子模型学说。提出了操纵子模型学说。l 获获19651965年诺贝尔生理学年诺贝尔生理学和医学奖和医学奖Monod and Jacob操纵子调控模型的提出操纵子调控模型的提出3 3个结构基因个结构基因启动子启动子操纵区操纵区调节基因调节基因阻

11、遏物阻遏物结构基因的功能结构基因的功能7.2.1 7.2.1 酶的诱导酶的诱导laclac体系受调控的证据体系受调控的证据小知识小知识1、添加乳糖后，、添加乳糖后，lac mRNA含量快速上升。相反，含量快速上升。相反，去掉乳糖后去掉乳糖后，lac mRNA含量快速下降到几乎无法检含量快速下降到几乎无法检测到的水平测到的水平，表明乳糖能激发表明乳糖能激发lac mRNA的合成的合成。2、在有葡萄糖和乳糖同时存在时，、在有葡萄糖和乳糖同时存在时，细菌优先利用葡细菌优先利用葡萄糖萄糖。 事实上，研究诱导作用很少直接使用乳糖。事实上，研究诱导作用很少直接使用乳糖。 如果某种物质能够促使细菌产生酶而本

12、身又不如果某种物质能够促使细菌产生酶而本身又不被分解，这种物质被称为被分解，这种物质被称为安慰诱导物安慰诱导物，如：，如：IPTGIPTG（异丙基异丙基- -D-D-硫代半乳糖苷硫代半乳糖苷）。）。别乳糖别乳糖IPTG不是半乳糖苷酶可切不是半乳糖苷酶可切割的底物割的底物IPTGPIOPLacILacZLacYLacAConstitutive expressmRNAGene : OFFNo mRNA productsrepressorLac operon #37.2.2 乳糖操纵子调控模型乳糖操纵子调控模型Negative regulation of lac operonPIOPLacILacZ

13、LacYLacAConstitutive expressmRNAGene : ONmRNA product-GalactosidasePermease Transacetylase Iso-lactoseRNA polymeraseIso-lactose乳糖操纵子调控模型特点乳糖操纵子调控模型特点 影响因子影响因子Lac影响因子影响因子Lac别乳糖别乳糖吸收进入细胞吸收进入细胞培养基中的乳糖培养基中的乳糖在胞内：转化为异构乳糖在胞内：转化为异构乳糖透过性酶透过性酶- -半乳糖苷酶半乳糖苷酶鸡鸡 - 蛋矛盾蛋矛盾乳糖操纵子活化，基因表达乳糖操纵子活化，基因表达解释：PIOPLacILacZLac

14、YLacA泄露表达（泄露表达（Leaky Expression）： 没有乳糖存在时，阻遏蛋白偶然脱落，使没有乳糖存在时，阻遏蛋白偶然脱落，使下游结构基因保持本底表达。所以，细胞内含下游结构基因保持本底表达。所以，细胞内含有极少量的基因表达产物。这些产物足以运送有极少量的基因表达产物。这些产物足以运送少量的外源乳糖进入细胞。少量的外源乳糖进入细胞。 当乳糖成为唯一碳源时，当乳糖成为唯一碳源时，起初本底表达的产物使少量的起初本底表达的产物使少量的乳糖进入细胞，并被转化成异乳糖进入细胞，并被转化成异构乳糖，获得真正的诱导物。构乳糖，获得真正的诱导物。 异构乳糖诱导下游结构基因高异构乳糖诱导下游结构基

15、因高效表达，使基因产物大量合成；导效表达，使基因产物大量合成；导致运送大量的乳糖进入细胞，一方致运送大量的乳糖进入细胞，一方面分解产能，另一方面转化为异构面分解产能，另一方面转化为异构乳糖维持基因的持续表达。乳糖维持基因的持续表达。RepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveCAPLacRepressorRepressorRNAPol.RNAPol.Great, I can transcribe!Some transcription occurs, b

16、ut at a slow rateThis lactose has bent me out of shapeLac操纵子操纵子阻遏物泄漏表达阻遏物泄漏表达 研究表明，研究表明，Lac阻抑物的结构特征阻抑物的结构特征N endC endRepressor maintains the lac operon in the inactive condition by binding to the operator. The shape of the repressor is represented as a series of connected domains as revealed by its

17、crystal structure 葡萄糖存在葡萄糖存在，乳糖不存在的情况乳糖不存在的情况RepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveCome on, let me throughNo wayJose!CAPLac操纵子操纵子RepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveCAPLa

18、cRepressorRepressorThis lactose has bent me out of shapeRNAPol.Lac操纵子操纵子葡萄糖和乳糖都存在的情况Great, I can transcribe!RepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorThis lactose has bent me out of shapeCAPcAMPCAPcAMPBind to mePolymeras

19、eRNAPol.RNAPol.Yipee!乳糖存在但是葡萄糖不存在的情况Lac操纵子操纵子RepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBind to mePolymeraseRNAPol.RepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveRepressorSTOPRight therePolymeraseAlright, Im off to the races . . .Come on, let me through!葡萄糖和乳糖都不存在的情况Lac操纵子操纵子乳糖操纵子的正调控 CAP-cAMP cAMP含量与葡萄糖的分解代谢有关，含量与葡萄糖的分解