乳糖操縱子簡介

1、操縱子（operon)：很多功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因串聯(lián)排列在染色體上，由一個共同的控制區(qū)來操縱這些基因的表達，包含這些結(jié)構(gòu)基因和控制區(qū)的整個核苷酸序列就稱為操縱子。 乳糖操縱子 § 三個特異性序列：§ 操縱序列 O (operator): 阻遏蛋白結(jié)合位點。§ 啟動子 P (promoter): 位于結(jié)構(gòu)基因的上游。§ CAP結(jié)合位點：環(huán)cAMP受體蛋白(分解代謝物激活蛋白)結(jié)合位點。§ 一個調(diào)節(jié)基因l lac I：編碼阻遏蛋白，能結(jié)合于操縱序列位點。操縱子的組成： § -結(jié)構(gòu)基因(structural gene, SG) ：操縱元中被調(diào)

2、控的編碼蛋白質(zhì)的基因 § -啟動子(promoter，P)：是指能被RNA聚合酶識別、結(jié)合并啟動基因轉(zhuǎn)錄的一段DNA序列。 § -操縱基因(operator，O)：是指能被調(diào)控蛋白特異性結(jié)合的一段DNA序列。§ 阻遏物基因(inhibitor,I),產(chǎn)生阻遏物(repressor)。結(jié)構(gòu)基因 Z編碼-半乳糖苷酶：將乳糖水解成葡萄糖和半乳糖。 Y編碼-半乳糖苷透過酶：使外界的-半乳糖苷（如乳糖）能透過大腸桿菌細胞壁和原生質(zhì)膜進入細胞內(nèi)。 A編碼-半乳糖苷乙酰基轉(zhuǎn)移酶：乙酰輔酶A上的乙?；D(zhuǎn)到-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。當一個mRNA含有編碼一個以上蛋白質(zhì)的編碼信息

3、，而且這些蛋白質(zhì)都是以獨立的多肽被翻譯時，這樣的mRNA稱之多順反子mRNA。§ 多順反子mRNA在細菌中是很普遍的。§ 多順反子lac mRNA中的lacZ，lacY，lacA經(jīng)翻譯生成的產(chǎn)物分別生成代謝分解乳糖的三種酶§ 始終存在著一定的比例關(guān)系( Z : Y : A = 5 : 2 : 1 )§ lacZ、Y、A基因的轉(zhuǎn)錄是由lacI基因指令合成的阻遏蛋白R所控制。lacI一般和結(jié)構(gòu)基因相毗連，但它本身具有自己的啟動子和終止子，成為獨立的轉(zhuǎn)錄單位。§ 由于lacI的產(chǎn)物是可溶性蛋白，按照理說是無需位于結(jié)構(gòu)基因的附近。它是能夠分散到各處或結(jié)

4、合到分散的DNA位點上。阻遏蛋白的負調(diào)節(jié)(negative control of repressor)§ 無乳糖(no lactose): lac操縱元處于阻遏狀態(tài)(repression)§ 有乳糖(presence of lactose)：lac操縱元即可被誘導(dǎo)(derepression,induction)§ 誘導(dǎo)劑(inducer): 別乳糖、半乳糖、IPTG（異丙基硫代半乳糖苷）為什么選用IPTG作誘導(dǎo)物？§ 能誘導(dǎo)酶的合成，但又不被分解的分子,稱為安慰誘導(dǎo)物（gratuitous inducer）。§ 由于乳糖雖可誘導(dǎo)酶的合成，但又隨

5、之分解，產(chǎn)生很多復(fù)雜的動力學(xué)問題，因此人們常用安慰誘導(dǎo)物來進行各種實驗。 § X-gal（5-溴-4-錄-3-吲哚-半乳糖苷）也是一種人工化學(xué)合成的半乳糖苷，可被半乳糖苷酶水解產(chǎn)生蘭色化合物，因此可以用作 半乳糖苷酶活性的指示劑。IPTG和X-gal都被廣泛應(yīng)用在分子生物學(xué)和基因工程的工作中。 § 某些誘導(dǎo)物與自然的-半乳糖苷酶相似，且不能被酶分解，比如異丙基-D-硫代半乳糖苷，（isopropylthiogalactoside,IPTG）。不被細菌分解性質(zhì)穩(wěn)定，它的濃度在實驗中不會改變。 § 復(fù)雜的動力學(xué)問題，便于研究。§ IPTG能在缺乏lacY基因

6、下而有效地被運送。§ 半乳糖苷鍵中用硫代替了氧，失去了水解活性，但硫代半乳糖苷和同源的氧代化合物與酶位點的親和力相同，IPTG雖不為-半乳糖苷酶所識別，但它是lac基因簇十分有效的誘導(dǎo)物。乳糖操縱子的CAP正調(diào)控（Positive Control of CAP）§ CAP(catabolite activator protein) -分解代謝基因激活蛋白,又稱為 CRP (cAMP receptor protein), lac operon高水平轉(zhuǎn)錄必需的一個激活蛋白。§ CAP(同二聚體),含DNA結(jié)合區(qū) 以二聚體的方式與特定的DNA序列結(jié)合, cAMP結(jié)合區(qū)與

7、cAMP特異結(jié)合，并發(fā)生空間構(gòu)象的變化,形成cAMP-CAP復(fù)合物（有活性）當CAP與CAP結(jié)合位點這段序列結(jié)合時，可激活RNA轉(zhuǎn)錄酶活性，使之提高50X 葡萄糖 降解產(chǎn)物 ATP cAMP 5AMPCRP（非活性狀態(tài)） CAP（活性狀態(tài)）無葡萄糖，cAMP濃度高時促進轉(zhuǎn)錄, 有葡萄糖，cAMP濃度低時不促進轉(zhuǎn)錄葡萄糖效應(yīng)：當細菌在含有葡萄糖套和乳糖的培養(yǎng)基中生長時，通常優(yōu)先利用葡萄糖。只有當葡萄糖消耗完，經(jīng)過一段停滯期，在乳糖的誘導(dǎo)下半乳糖苷酶開始合成，細菌才能充分利用乳糖。葡萄糖的降解物能抑制腺苷酸環(huán)化酶活性，并活化磷酸二脂酶，因而降低 cAMP的濃度。所以葡萄糖存在時，cAMP濃度低；僅

8、在葡萄糖消耗完畢時, cAMP濃度增高，CAP-cAMP 復(fù)合物形成（結(jié)合于lac operon CAP結(jié)合位點)，才會促進轉(zhuǎn)錄。乳糖操縱子的協(xié)調(diào)調(diào)控(coordinate regulation)§ 由于Plac是弱啟動子，單純因乳糖的存在發(fā)生去阻遏使lac操縱元轉(zhuǎn)錄開放，還不能使細菌很好利用乳糖，必需同時有CAP來加強轉(zhuǎn)錄活性，細菌才能合成足夠的酶來利用乳糖。§ 關(guān)鍵條件：lac操縱元的強誘導(dǎo)既需要有乳糖的存在又需要沒有葡萄糖可供利用。Lac操縱子基因表達受阻遏蛋白和CAP的雙重調(diào)控§ 負調(diào)節(jié)與正調(diào)節(jié)協(xié)調(diào)合作Ø 阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時，CAP不發(fā)揮作用Ø 如沒有CAP加強轉(zhuǎn)錄，即使阻遏蛋白R從P上解聚仍無強大轉(zhuǎn)錄活性 葡萄糖/乳糖共同存在時，細菌優(yōu)先利用葡萄糖Ø 葡萄糖可降低cAMP濃度，阻礙其與CAP結(jié)合從而抑制轉(zhuǎn)錄本底表達§ 在細胞中透性酶等總是以最低量存在著，足以供給底物開始進入時的需要。也就是說，操縱子有一個本底水平（basal level）的表達，即使沒有誘導(dǎo)物的存在，也保持此表達水平（誘導(dǎo)水