乳糖操縱子lacoperon課件

操縱子是原核生物轉(zhuǎn)錄調(diào)控的主要形式

操縱子：是基因表達(dá)的協(xié)調(diào)單位，由啟動子、操縱基因及其所控制的一組功能上相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因所組成。操縱基因受調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物的控制。原核生物調(diào)控原核生物——操縱子(operon)結(jié)構(gòu)基因啟動子操縱基因調(diào)節(jié)基因(promoter)(operator)(1)結(jié)構(gòu)基因:產(chǎn)生mRNA并作為模板合成蛋白質(zhì)(2)調(diào)節(jié)基因:產(chǎn)生阻遏蛋白(或激活蛋白)與操縱基因結(jié)合,阻礙(或開啟)結(jié)構(gòu)基因表達(dá)操縱子(operon)的結(jié)構(gòu)與功能InhibitorgenePS1S2S3啟動子結(jié)構(gòu)基因1，2，3...O操縱基因PromoterOperatorgeneStructuregene調(diào)控區(qū)結(jié)構(gòu)基因操縱子表達(dá)阻遏蛋白

結(jié)合RNA聚合酶結(jié)合阻遏蛋白表達(dá)功能蛋白?I阻遏物基因開始轉(zhuǎn)錄TTGACAAACTGT-35區(qū)(Pribnowbox)TATAATPuATATTAPy-10區(qū)1-30-5010-10-40-205335(3)原核生物啟動子保守序列σ識別位點(diǎn)(recognitionsite)55RNA聚合酶結(jié)合部位結(jié)構(gòu)基因33++(4)操縱基因

——阻遏蛋白(repressor)的結(jié)合位點(diǎn)當(dāng)操縱序列結(jié)合有阻遏蛋白時(shí)，會阻礙RNA聚合酶與啟動序列的結(jié)合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移動，阻礙轉(zhuǎn)錄。啟動序列編碼序列操縱序列pol阻遏蛋白操縱子的調(diào)控方式總結(jié)啟動子結(jié)構(gòu)基因1，2，3...操縱基因調(diào)控區(qū)結(jié)構(gòu)基因操縱子誘導(dǎo)型阻遏型變構(gòu)變構(gòu)阻遏蛋白變構(gòu)失活阻遏蛋白變構(gòu)激活無活性的阻遏蛋白輔阻遏物阻遏物基因兩種方式阻遏蛋白誘導(dǎo)物乳糖操縱子為代表色氨酸操縱子為代表一.乳糖操縱子（一）乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)與功能（二）乳糖操縱子的負(fù)調(diào)控和正調(diào)控（三）乳糖操縱子調(diào)控區(qū)的突變效應(yīng)背景介紹：大腸桿菌通常利用葡萄糖作為碳源，通常情況下環(huán)境中乳糖極少，降解乳糖的酶不被合成，其實(shí)質(zhì)是乳糖降解酶基因不表達(dá)。1961年由莫諾（Monod,J.法)和雅各布(Jacob,F.法)提出，用來闡述大腸桿菌乳糖代謝中基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)制。FrancoisJacob(1920-)JacqucesMonod(1910-67)獲1965年諾獎Z編碼β-半乳糖苷酶：將乳糖水解成葡萄糖和半乳糖Y編碼β-半乳糖苷透過酶：使外界的β-半乳糖苷（如乳糖）能透過大腸桿菌細(xì)胞壁和原生質(zhì)膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。A編碼β-半乳糖苷乙酰基轉(zhuǎn)移酶：乙酰輔酶A上的乙?；D(zhuǎn)到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。乳糖操縱子學(xué)說的主要內(nèi)容①Z、Y、A基因的產(chǎn)物由同一條多順反子的mRNA分子所編碼②這個mRNA分子的啟動子緊接著O區(qū)，而位于I與O之間的啟動子區(qū)（P）。

③當(dāng)阻遏物與操縱基因結(jié)合時(shí)，lacmRNA的轉(zhuǎn)錄起始受到抑制。④誘導(dǎo)物通過與阻遏物結(jié)合，改變它的三維構(gòu)象，使之不能與操縱基因結(jié)合，從而激發(fā)lacmRNA的合成。當(dāng)有誘導(dǎo)物存在時(shí)，操縱基因區(qū)沒有被阻遏物占據(jù)，所以啟動子能夠順利起始mRNA的合成。大腸桿菌乳糖酶誘導(dǎo)合成---調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物對轉(zhuǎn)錄的調(diào)控阻遏蛋白乳糖酶基因操縱基因結(jié)構(gòu)基因半乳糖苷酶半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰酶半乳糖苷透性酶操縱基因——基因合成的開關(guān)調(diào)節(jié)基因關(guān)——阻遏蛋白阻擋操縱基因，結(jié)構(gòu)基因不表達(dá)誘導(dǎo)物（乳糖）開——誘導(dǎo)物阻止阻遏蛋白功能發(fā)揮。mRNA酶蛋白（一）乳糖操縱子(lacoperon)的結(jié)構(gòu)與功能調(diào)控區(qū)CAP結(jié)合位點(diǎn)啟動序列操縱序列結(jié)構(gòu)基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙?；D(zhuǎn)移酶ZYAOPDNA酶的誘導(dǎo)——lac體系受調(diào)控的證據(jù)

乳糖在透酶催化、轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)入細(xì)胞，再經(jīng)-半乳糖苷酶催化，轉(zhuǎn)變成別乳糖。別乳糖是lac的誘導(dǎo)物安慰誘導(dǎo)物：

如果某種物質(zhì)能夠促使細(xì)菌產(chǎn)生酶而本身又不被分解，這種物質(zhì)被稱為安慰誘導(dǎo)物，如IPTG（異丙基-β–D-硫代半乳糖苷）；TMG（巰甲基半乳糖苷）；ONPG（O-硝基半乳糖苷）。細(xì)菌的二次生長曲線(葡萄糖效應(yīng),代謝物阻遏效應(yīng))CAP結(jié)合位點(diǎn)RNA聚合酶進(jìn)入位點(diǎn)Pi啟動基因結(jié)構(gòu)基因操縱基因啟動基因調(diào)節(jié)基因-半乳糖苷酶透性酶乙酰基轉(zhuǎn)移酶PiIPOZYACAP的正調(diào)節(jié)作用+cAMPcAMP（二）乳糖操縱子的正、負(fù)調(diào)控cataboliteactivatorproteinCRP:cAMPreceptorprotein++++轉(zhuǎn)錄無葡萄糖，cAMP濃度高時(shí)有葡萄糖，cAMP濃度低時(shí)（2）CAP的正性調(diào)節(jié)ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)※當(dāng)阻遏蛋白封閉轉(zhuǎn)錄時(shí)，CAP不發(fā)揮作用；※如無CAP存在，即使無阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合，操縱子仍無轉(zhuǎn)錄活性。單純?nèi)樘谴嬖跁r(shí)，細(xì)菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共同存在時(shí)，細(xì)菌首先利用葡萄糖。葡萄糖對lac操縱子的阻遏作用稱分解代謝阻遏(catabolicrepression)。

mRNA低乳糖時(shí)高乳糖時(shí)葡萄糖低cAMP濃度高葡萄糖高cAMP濃度低RNA-polOOOO乳糖操縱子的工作原理總結(jié)：1.負(fù)調(diào)控方式PZYA啟動子分解代謝乳糖的三種酶基因O操縱基因調(diào)控區(qū)結(jié)構(gòu)基因阻遏蛋白乳糖變構(gòu)阻遏蛋白變構(gòu)失活阻遏蛋白乳糖操縱子（LacOperon）I阻遏物基因阻遏蛋白阻遏狀態(tài)Z:β-半乳糖苷酶Y:乳糖穿透酶A:轉(zhuǎn)乙酰基酶誘導(dǎo)狀態(tài)表達(dá)不能表達(dá)乳糖操縱子的工作原理總結(jié):2.正調(diào)控PZYA啟動子分解代謝乳糖的三種酶基因O操縱基因調(diào)控區(qū)結(jié)構(gòu)基因

CAP變構(gòu)CAP變構(gòu)激活cAMPCAP乳糖操縱子

CAP位點(diǎn)

(Catabolite

ActivatorProteinsite)CAPCAP:代謝物激活蛋白已經(jīng)分離在有誘導(dǎo)物或沒有誘導(dǎo)物的情況下都能產(chǎn)生lacmRNA的突變體，這種失去調(diào)節(jié)能力的突變體稱為永久型突變體，為分兩類：I型和O型。

I型：野生型為I+，突變型為I-

O型：野生型為O+，突變型為Oc。(三)乳糖操縱子調(diào)控區(qū)的突變效應(yīng)I+→I-或O+→Oc后，Z、Y、A結(jié)構(gòu)基因均表現(xiàn)為永久表達(dá)，所以I基因被稱為調(diào)節(jié)基因(regulatorygene)。研究發(fā)現(xiàn)，I基因是一個產(chǎn)生阻遏物的調(diào)節(jié)基因，其產(chǎn)物使體系關(guān)閉。I-突變體由于不能產(chǎn)生阻遏物，使細(xì)胞成為lac永久表達(dá)型。I-/I+局部二倍體由于帶有一個正常阻遏物，使細(xì)胞中的lac仍然被抑制。組成型突變：lacOc

組成型突變：

lacI-二色氨酸操縱子(一)色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)與功能(二)色氨酸操縱子的阻遏調(diào)節(jié)系統(tǒng)（三）色氨酸操縱子的弱化機(jī)制(一)色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)與功能

1．色氨酸操縱子模型：

由雅各布（JacobF.）和莫諾（MonodJ.）提出，具有合成代謝途徑典型的操縱子模型。

操縱子：包括色氨酸合成有關(guān)的5種酶的結(jié)構(gòu)基因；

大量色氨酸時(shí)：大腸桿菌5種酶的轉(zhuǎn)錄同時(shí)受到抑制；

色氨酸不足時(shí)：這５種酶的基因開始轉(zhuǎn)錄；

色氨酸：作為阻遏物而不是誘導(dǎo)物參與調(diào)控結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。

∴

trp操縱子是一個典型的可阻遏操縱子模型(repressibleoperon)。色氨酸操縱子模型結(jié)構(gòu)：

5種結(jié)構(gòu)基因：trpE、D、C、B、A；

調(diào)控結(jié)構(gòu)：啟動子、操縱子、前導(dǎo)序列、弱化子；

阻遏物trpR基因：與trp操縱子相距較遠(yuǎn)；特點(diǎn):

(1)trpR和trpABCDE不連鎖；(2)操縱基因在啟動子內(nèi)；(3)有衰減子(attenuator)/弱化子；(4)啟動子和結(jié)構(gòu)基因不直接相連，二者被前導(dǎo)序列(Leader)所隔開。2.色氨酸操縱子的負(fù)調(diào)控：

⑴.阻遏調(diào)控：

trpR基因編碼無輔基阻遏物與色氨酸結(jié)合形成有活性的色氨酸阻遏物與操作子結(jié)合阻止轉(zhuǎn)錄；

色氨酸不足：阻遏物三維空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，不能與操作子結(jié)合，操縱元開始轉(zhuǎn)錄；

色氨酸濃度升高：色氨酸與阻遏物結(jié)合，空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，可與操作子結(jié)合，阻止轉(zhuǎn)錄。阻遏蛋白操縱基因結(jié)構(gòu)基因調(diào)節(jié)基因mRNA酶蛋白阻遏蛋白不能與操縱基因結(jié)合，所以結(jié)構(gòu)基因表達(dá)。酶代謝產(chǎn)物一旦大量積累阻遏蛋白被產(chǎn)物激活，結(jié)構(gòu)基因不表達(dá)。Trp操縱子----產(chǎn)物阻遏常規(guī)酶的合成TrpTrp高時(shí)Trp低時(shí)mRNAOPtrpR調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因

RNA聚合酶

RNA聚合酶?二色氨酸操縱子的阻遏調(diào)節(jié)系統(tǒng)色氨酸操縱子⑵.弱化子調(diào)控：

當(dāng)有色氨酸存在而trp操縱子受抑制時(shí)，仍有一段前導(dǎo)序列發(fā)生轉(zhuǎn)錄，可能存在另一種的機(jī)制來抑制trp操縱元的轉(zhuǎn)錄。

色氨酸高濃度存在時(shí)，轉(zhuǎn)錄的前導(dǎo)序列162bp長，其中有一28bp的弱化子區(qū)域；形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，為內(nèi)部終止子，RNA酶從DNA上脫落，不能轉(zhuǎn)錄；

色氨酸低濃度或不存在時(shí)，RNA聚合酶能通過弱化子區(qū)域，轉(zhuǎn)錄完整的多順反子mRNA序列；（三）色氨酸操縱子的弱化機(jī)制前導(dǎo)序列可翻譯出一段14個氨基酸的短肽，在該短肽的第10、11位置上是兩個色氨酸密碼子；兩個密碼子之后是一段mRNA序列，該序列可分為四個區(qū)段，區(qū)段間可互補(bǔ)配對，形成不同的二級結(jié)構(gòu)。原核生物為邊轉(zhuǎn)錄邊翻譯，前導(dǎo)序列中核糖體位置決定形成哪種二級結(jié)構(gòu),從而決定弱化子是否可形成終止信號。①.當(dāng)有色氨酸時(shí)，完整翻譯短肽核糖體停留在終止密碼子處，鄰近區(qū)段2位置阻礙了2,3配對使3,4區(qū)段配對形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)終止子RNA酶在弱化子處終止，不能向前移動。

②.如缺乏色氨酸，核糖體到達(dá)色氨酸密碼子時(shí)由于沒有色氨酰tRNA的供應(yīng)停留在該密碼子位置，位于區(qū)段1使區(qū)段2與區(qū)段3配對區(qū)段4無對應(yīng)序列配對呈單鏈狀態(tài)RNA聚合酶通過弱化子，繼續(xù)向前移動，轉(zhuǎn)錄出完整的多順反子序列。UUUU……UUUU……調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)構(gòu)基因trpROP前導(dǎo)序列衰減子區(qū)域UUUU……前導(dǎo)mRNA1234衰減子結(jié)構(gòu)

第10、11密碼子為trp密碼子終止密碼子14aa前導(dǎo)肽編碼區(qū):

包含序列1形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)能力強(qiáng)弱：序列1/2>序列2/3>序列3/4

trp密碼子

UUUU……UUUU……34UUUU3’34核糖體前導(dǎo)肽前導(dǎo)mRNA1.當(dāng)色氨酸濃度高時(shí)轉(zhuǎn)錄衰減機(jī)制125’

trp密碼子衰減子結(jié)構(gòu)就是終止子可使轉(zhuǎn)錄前導(dǎo)DNAUUUU3’

RNA聚合酶終止UUUU……342423UUUU……核糖體前導(dǎo)肽前導(dǎo)mRNA15’

trp密碼子

結(jié)構(gòu)基因前導(dǎo)DNA

RNA聚合酶2.當(dāng)色氨酸濃度低時(shí)Trp合成酶系相關(guān)結(jié)構(gòu)基因被轉(zhuǎn)錄序列3、4不能形成衰減子結(jié)構(gòu)

細(xì)菌通過弱化作用彌補(bǔ)阻遏作用的不足，因?yàn)樽瓒糇饔弥荒苁罐D(zhuǎn)錄不起始，對于已經(jīng)起始的轉(zhuǎn)錄，只能通過弱化作用使之中途停下來。阻遏作用的信號是細(xì)胞內(nèi)色氨酸的多少；弱化作用的信號則是細(xì)胞內(nèi)載有色氨酸的tRNA的多少。它通過前導(dǎo)肽的翻譯來控制轉(zhuǎn)錄的進(jìn)行，在細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)這兩種作用相輔相成，體現(xiàn)著生物體內(nèi)周密的調(diào)控作用。在E.coli，不同類型的啟動子需要不同類型的σ因子熱休克基因（heatshockgenes）σ32替換σ70

通過亞基替換的調(diào)控-σ因子的替代可以控制轉(zhuǎn)錄起始枯草桿菌（B.subtilis）中σ因子用于轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)節(jié)大部分σ因子轉(zhuǎn)換的例子都發(fā)生在芽孢形成（sporulation）中。當(dāng)一種新的σ因子被激活，原來的σ因子被取代，通過σ因子轉(zhuǎn)移的方式打開或關(guān)閉基因的表達(dá)。

枯草桿菌（B.subtilis）中σ因子的替換芽孢形成過程中，