乳糖操縱子課件

乳糖操縱子

動(dòng)物學(xué)劉林林乳糖操縱子

基因表達(dá)調(diào)控的基本概念乳糖操縱子主要內(nèi)容：乳糖操縱子1基因表達(dá)調(diào)控的基本概念基因表達(dá)（geneexpression）:基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過(guò)程，或基因指導(dǎo)下RNA和蛋白質(zhì)的合成過(guò)程。

rRNA、tRNA編碼基因轉(zhuǎn)錄合成RNA的過(guò)程也屬于基因表達(dá)

組成性表達(dá)(constitutiveexpression)：不易受環(huán)境變化而變化的一類基因的表達(dá)。

基因的差別表達(dá)(differentialgeneexpression):

在個(gè)體發(fā)育中，某些基因在特定條件下才進(jìn)行表達(dá)，而另一些基因在該條件下卻關(guān)閉。乳糖操縱子

基因表達(dá)的時(shí)、空特異性

時(shí)間特異性（temporalspecificity）：某些基因的表達(dá)嚴(yán)格按照特定的時(shí)間順序進(jìn)行。

空間特異性(spatialspecificity)：某些基因在個(gè)體不同組織細(xì)胞中按照一定的順序表達(dá)。又稱細(xì)胞或組織特異性(cellortissuespecificity)。

乳糖操縱子

分類：持(看)家基因(housekeepinggenes):始終或經(jīng)常性開(kāi)啟的基因,是維持細(xì)胞基本生命活動(dòng)所必須的，如編碼組成性蛋白的基因。奢侈基因（luxurygene），指編碼組織特異性蛋白的基因(tissue-specificgene)，對(duì)細(xì)胞分化有重要影響，如角蛋白基因、肌動(dòng)蛋白基因和血紅蛋白基因等。乳糖操縱子

基因表達(dá)調(diào)控的意義：適應(yīng)環(huán)境、維持個(gè)體的生長(zhǎng)發(fā)育、分化和增殖。

基因表達(dá)的調(diào)控水平：轉(zhuǎn)錄水平（transcriptionalregulation）的調(diào)控；轉(zhuǎn)錄后水平（post-transcriptionalregulation）的調(diào)控（RNA加工水平上的調(diào)控；翻譯水平上的調(diào)控）。組成性酶與誘導(dǎo)酶組成性酶：不經(jīng)誘導(dǎo)就經(jīng)常而大量地存在于細(xì)胞中。誘導(dǎo)酶：需經(jīng)誘導(dǎo)才能（大量）產(chǎn)生。乳糖操縱子

調(diào)節(jié)蛋白（轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子）：由調(diào)節(jié)基因所編碼的蛋白因子。負(fù)調(diào)節(jié)蛋白：阻遏蛋白正調(diào)節(jié)蛋白：激活蛋白

根據(jù)操縱子對(duì)調(diào)節(jié)蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）的應(yīng)答情況，可分為：正轉(zhuǎn)錄調(diào)控（正控制）和負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控（負(fù)控制）。乳糖操縱子

負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控：調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是阻遏蛋白（repressor），起著阻止結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的作用。負(fù)控誘導(dǎo)：阻遏蛋白與效應(yīng)物（誘導(dǎo)物）結(jié)合時(shí)，阻遏蛋白無(wú)活性,不與調(diào)控區(qū)（順式作用元件）結(jié)合，結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄。負(fù)控阻遏：阻遏蛋白與效應(yīng)物（輔阻遏物）結(jié)合時(shí)，阻遏蛋白有活性，與調(diào)控區(qū)（順式作用元件）結(jié)合，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄。

正轉(zhuǎn)錄調(diào)控：調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物是激活蛋白（activator），起著激活結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的作用。正控誘導(dǎo)：效應(yīng)物分子的存在使激活蛋白處于活性狀態(tài)。正控阻遏：效應(yīng)物分子（輔阻遏物）的存在使激活蛋白處于非活性狀態(tài)。乳糖操縱子負(fù)控誘導(dǎo)負(fù)控阻遏正控誘導(dǎo)正控阻遏乳糖操縱子2大腸桿菌的乳糖操縱子二度生長(zhǎng)現(xiàn)象（葡萄糖效應(yīng)，降解物阻遏效應(yīng)）當(dāng)葡萄糖和另一種須經(jīng)誘導(dǎo)才能利用的糖同時(shí)存在時(shí)，E.coli總是首先利用葡萄糖做碳源而生長(zhǎng)，直到葡萄糖消耗完畢后，才開(kāi)始利用另一種糖。β-半乳糖苷酶的誘導(dǎo)乳糖操縱子lac操縱子的本底水平表達(dá)

有兩個(gè)矛盾是操縱子理論所不能解釋的：①誘導(dǎo)物需要穿過(guò)細(xì)胞膜才能與阻遏物結(jié)合，而轉(zhuǎn)運(yùn)誘導(dǎo)物需要透過(guò)酶，而后者的合成也需要誘導(dǎo)。解釋：一些誘導(dǎo)物可以在透過(guò)酶不存在時(shí)進(jìn)入細(xì)胞？(×)

一些透過(guò)酶可以在沒(méi)有誘導(dǎo)物的情況下合成？(√)②真正的誘導(dǎo)物是異構(gòu)乳糖而非乳糖，前者是在β-半乳糖苷酶的催化下由乳糖形成的，因此，需要有β-半乳糖苷酶的預(yù)先存在。解釋：在本底水平上,有β-半乳糖苷酶的組成型合成,即,在非誘導(dǎo)狀態(tài)下,lacZ操縱子有本底水平上的表達(dá)（有少量lacmRNA合成及翻譯）。乳糖操縱子

安慰性誘導(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）和TMG(巰甲基半乳糖苷)等。乳糖操縱子E.colilac操縱子學(xué)說(shuō)的提出

操縱子：由啟動(dòng)子、操縱基因及其控制下的一組功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)基因所組成的轉(zhuǎn)錄單位。操縱基因受調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物的控制。乳糖操縱子

乳糖操縱子調(diào)控模型①Z、Y、A基因的產(chǎn)物由同一條多順?lè)醋觤RNA分子所編碼。②啟動(dòng)子區(qū)(P)緊接著操縱區(qū)(O)區(qū)。③操縱區(qū)(O)是一小段序列（26bp），是阻遏物的結(jié)合位點(diǎn)。④當(dāng)阻遏物與操縱基因結(jié)合時(shí)，lacmRNA轉(zhuǎn)錄起始受到抑制。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(guò)酶：使外界的β-半乳糖苷（如乳糖）能透過(guò)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?；D(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。乳糖操縱子在細(xì)菌中同時(shí)存在著誘導(dǎo)和阻遏的現(xiàn)象。誘導(dǎo)是細(xì)菌調(diào)節(jié)其分解底物供給生長(zhǎng)的能力。阻遏是細(xì)菌調(diào)節(jié)其合成代謝產(chǎn)物的能力。無(wú)論是酶作用的小分子底物的調(diào)節(jié)，還是酶活性的產(chǎn)生，它們的啟動(dòng)是獨(dú)自的，小分子底物稱為誘導(dǎo)物（inducers）某些物質(zhì)能阻止酶合成它們本身，此物質(zhì)就稱輔阻遏物（corepressors）。乳糖操縱子誘導(dǎo)物（乳糖或IPTG）存在，與阻遏物結(jié)合時(shí)阻遏物從操縱基因上頭里下來(lái)，RNA聚合酶可通過(guò)啟動(dòng)子和操作基因正常轉(zhuǎn)錄出一條多順?lè)醋觤RNA從可翻譯得到三種酶操縱子控制的重要特性是阻遏物的雙重性：它既能阻止轉(zhuǎn)錄，又能識(shí)別小分子誘導(dǎo)物。阻遏物有2個(gè)結(jié)合位點(diǎn)：一個(gè)是結(jié)合誘導(dǎo)物的，另一個(gè)是結(jié)合操縱基因的。當(dāng)誘導(dǎo)物在相應(yīng)位點(diǎn)結(jié)合時(shí)，它改變了阻遏蛋白的構(gòu)象，干擾了另一位點(diǎn)的活性。這種類型的調(diào)控叫變構(gòu)調(diào)控乳糖操縱子多亞基蛋白具有特殊的遺傳特性活性抑制物是有4個(gè)相同的亞基組成的四聚體當(dāng)野生型和突變型亞基都存在時(shí)，一個(gè)突變型的亞基可以導(dǎo)致整個(gè)四聚體的失活，即使另外三個(gè)亞基都是野生型的（即顯性負(fù)效應(yīng)）。突變發(fā)生在DNA結(jié)合位點(diǎn)，可以這樣解釋突變效應(yīng)：只有抑制物中4個(gè)亞基的DNA結(jié)合位點(diǎn)都處于正常時(shí)，整個(gè)蛋白質(zhì)才有活性。乳糖操縱子乳糖操縱子操縱子的調(diào)控1.抑制物結(jié)合誘導(dǎo)物（乳糖）后從操縱基因上脫離抑制物與誘導(dǎo)物結(jié)合發(fā)生構(gòu)象變化，使它與DNA的親和力降低，因而從操縱基因上脫離。乳糖操縱子乳糖操縱子乳糖操縱子乳糖操縱子TheLacOperon:

WhenGlucoseIsPresentButNotLactoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveComeon,letmethroughNowayJose!CAP乳糖操縱子TheLacOperon:

WhenLactoseIsPresentButNotGlucoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorXThislactosehasbentmeoutofshapeCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yipee…!乳糖操縱子TheLacOperon:

WhenNeitherLactoseNorGlucoseIsPresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RepressorRepressormRNAHeyman,I’mconstitutiveRepressorSTOPRighttherePolymeraseAlright,I’mofftotheraces...Comeon,letmethrough!乳糖操縱子

lac操縱子的雙重調(diào)控乳糖操縱子Summary

CarbohydratesActivatorproteinRepressorproteinRNApolymeraselacOperon+GLUCOSE+LACTOSENotboundtoDNALiftedoffoperatorsiteKeepsfallingoffpromotersiteNotranscription+GLUCOSE-LACTOSENotboundtoDNABoundtooperatorsiteBlockedbytherepressorNotranscription-GLUCOSE-LACTOSEBoundtoDNABoundtooper