乳糖操纵子.pdf

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1、第2 2 卷第1 2 期中学生物学 V 0 1 2 2N o 1 2 2 ( ) 0 6 年 M i ( 1 d l eS c h o o lB i o l ( ；) r 2 0 0 6 文件编号：1 0 0 3 7 5 8 6 ( 2 0 ( ) 6 ) 1 2 0 0 0 3 一0 3 乳糖操纵孑 刘本举( 河南省濮阳市第一高级中学4 5 7 0 0 0 ) 李新梅( 河南师范大学生命科学学院河南新乡4 5 7 0 0 0 ) 摘要介绍了乳糖操纵子的基本结构、结构基因群、启动子、操纵基因、调控基因和终止子的结构和 基本功能；并介绍了乳糖操纵子通过阻遏蛋白的负性调控和通过c A P 的正性调

2、控的过程和机理。 关键词乳糖操纵予结构调控 中图分类号Q 一4 9 文献标识码E 高中生物教材中的微生物代谢的调节，以大肠杆 菌半乳糖苷酶的诱导合成过程为例，简单介绍了酶合 成的调节机理，其内容就是法国分子生物学家雅各布 和奠诺于1 9 6 1 年提出的“乳糖操纵子”学说，其本质 属于原核生物基因表达的调控。但因篇幅所限，教材 对此介绍过于简单，使得不少学生和教师对此存在较 多疑问，下面对此做了较为洋细的介绍。 生物体内每个体细胞都含有该物种的一整套基 因，但是，这些基因并不是同时都在表达。比如单细胞 的细菌，能够根据环境的变化，开启或关闭某些基因， 以便迅速合成它所需要的蛋白质，停止合成它不

3、需要 的蛋白质。生物体内的基因之所以能够有序地表达， 是因为细胞内存在着对基因表达的调控机制，这种调 控机制是生物体所不可缺少的。 大肠杆菌一般是将葡萄糖作为碳元素的来源。但 是，雅各布和莫诺发现，当大肠杆菌生活的环境中没 有葡萄糖而有乳糖时，大肠杆菌就会迅速合成与乳糖 代谢有关的3 种酶：一种是B 一半乳糖苷透性酶，它促 使乳糖通过细胞膜进人细胞；另一种是B 一半乳糖苷 酶，催化乳糖水解成半乳糖和葡萄糖；第三种是B 一半 R 自身的启动子 C A P 结合位点 ， 书 R 垮半乳糖结合后不能与0 结合 乳糖苷转乙酰基酶( 也称硫代半乳糖苷转乙酰基酶) 。 在这3 种酶的作用下，大肠杆菌就能够

4、将乳糖分解成 葡萄糖和半乳糖并加以利用。当从大肠杆菌生活的环 境中去除乳糖后，这3 种酶的合成就会停止。 从上面的现象可以看出，大肠杆菌能够根据周围 环境中有没有乳糖，来决定是否合成半乳糖苷酶。我 们知道，酶的合成是受特定的基因控制的，半乳糖苷 酶的合成是半乳糖苷酶基因表达的结果。由此可见， 乳糖对半乳糖苷酶基因的表达起到了诱导作用。那 么，这种诱导作用是如何进行的呢? 雅各布和莫诺提 出了操纵子和操纵基因的概念，很好的解释了这种诱 导和调控过程，他们的操纵子学说使得以从分子水平 认识基因表达的调控，是一个划时代的突破，因此他 们2 人于1 9 6 5 年荣获诺贝尔生理学或医学奖。 1 “乳糖

5、操纵子”的基本组成 1 1 结构基因群 操纵子中被调控的编码蛋白质的基因称为结构 基因。一个操纵子中含有2 个以上的结构基因，多的 可达十几个，各结构基因头尾衔接、串连排列，组成结 构基因群。 结构基因终l b 子 图1乳糖操纵子的结构及调控示意图 二 濑专R 黔 广i L 别 万方数据 如图1 所示乳糖操纵子含有Z 、Y 和A 共3 个结 构基因。Z 基因长35 1 0b p ，编码含1 1 7 0 个氨基酸、分 子量为1 3 50 0 0 的多肽，以四聚体形式组成有活性的 p 一半乳糖苷酶，催化乳糖转变为别乳糖( 也称异乳 糖) ，再分解为半乳糖和葡萄糖；Y 基因长7 8 0b p ，编

6、码有2 6 0 个氨基酸、分子量为3 00 0 0 的半乳糖透过 酶，促使环境中的乳糖进入细菌；A 基因长8 2 5 b p ，编 码2 7 5 个氨基酸、分子量为3 20 0 0 的转乙酰基酶，以 二聚体活性形式催化半乳糖的乙酰化。Z 基因57 侧具 有大肠杆菌核糖体识别结合位点特征的S h a n D a g a n o ( S D ) 序列，因而当乳糖操纵子开放时，核糖体 能结合在转录产生的m R N A 上。由于Z 、Y 和A3 个 基因头尾相接，上一个基因的翻译终止码靠近下一个 基因的翻译起始码，因而同一个核糖体能沿此转录生 成的多顺反子m R N A 移动，在翻译合成了上一个基 因

7、编码的蛋白质后，不从m R N A 上脱落下来而继续 沿m R N A 移动合成下一个基因编码的蛋白质，依次 合成这个基因群所编码的蛋白质。 1 2 启动子 启动子是指能被R N A 聚合酶识别、结合并启动 基因转录的一段D N A 序列。操纵子至少有1 个启动 子，一般在第一个结构基因57 侧上游，控制整个结构 基因群的转录。 虽然不同的启动子序列有所不同，但比较已经研 究过的上百种原核生物的启动子的序列，发现有一些 共同的规律，它们一般长4 0 6 0b p ，含A - T 碱基对较 多，某些段落是很相似的，这些相似的保守性段落称 为共有性序列。启动子一般可分为识别、结合和起始 三个区段。

8、转录起始第一个碱基( 通常标记位置为+ 1 ) 最常见的是A ；在一1 0b p 附近有T A T A A T 一组共有序 列，因为这段共有序列是首先发现的，称为P r i b n o w 盒；在一3 5b p 处又有I T I G A C A 一组共有序列。 不同的启动子序列不同，与R N A 聚合酶的亲和 力不同，启动转录的频率高低不同，即不同的启动子 起动基因转录的强弱不同，例如：P L 、P R 、P T 7 属强启 动子，而P l a c 则是较弱的启动子。 1 3 操纵基因 操纵基因是指能被调控蛋白特异性结合的一段 D N A 序列。操纵基因常与启动子邻近或与启动子序 列重叠，当调

9、控蛋白结合在操纵基因序列上，会影响 其下游基因转录的强弱。乳糖操纵子的操纵基因序列 位于启动子与被调控的基因之间，部分序列与启动子 序列重叠。研究发现这段双链D N A 具有回文样的对 称性一级结构，能形成十字形的茎环构造。不少操纵 子都具有类似的对称性序列，可能与特定蛋白质的结 合相关。 1 4 调控基因 调控基因是编码能与操纵序列结合的调控蛋白 的基因。与操纵子结合后能减弱或阻止其调控基因转 录的调控蛋白称为阻遏蛋白，其介导的调控方式称为 负性调控；与操纵子结合后能增强或启动其调控基因 转录的调控蛋白称为激活蛋白，所介导的调控方式称 为正性调控。 某些特定的物质能与调控蛋白结合，使调控蛋白

10、 的空间构象发生变化，从而改变其对基因转录的影 响，这些特定物质称为效应物，其中凡能引起诱导发 生的分子称为诱导剂，能导致阻遏发生的分子称为阻 遏剂或辅助阻遏剂。 乳糖操纵子中，调控基因R 1 a c 位于P l a c 邻近，有 其自身的启动子和终止子，转录方向和结构基因群的 转录方向一致，编码产生由3 4 7 个氨基酸组成的调控 蛋白R 。在环境没有乳糖存在的情况下，R 形成分子 量为1 5 20 0 0 的活性四聚体，能特异性与操纵基因0 紧密结合，从而阻止利用乳糖的酶类基因的转录，所 以R 是乳糖操纵子的阻遏蛋白；当环境中有足够的 乳糖时，乳糖受p 一半乳糖苷酶作用转变为别乳糖，别 乳

11、糖与R 结合，使R 的空间构象变化，四聚体解聚成 单体，失去与操纵基因特异性紧密结合的能力，从而 解除了阻遏蛋白的作用，使其后的基因得以转录合成 利用乳糖的酶类。在这过程中乳糖( 实际起作用的是 别乳糖) 就是诱导剂，与R 结合，起到去阻遏作用，诱 导了利用乳糖的酶类基因的转录。 许多调控蛋白都是变构蛋白，通过与上述类似的 方式与效应物结合改变空闭构象，从而改变活性，起 到调节基因转录表达的作用。 1 5 终止子 终止子是给予R N A 聚合酶转录终止信号的 D N A 序列。在1 个操纵子中至少在结构基因群最后 一个基因的后面有一个终止子。 终止子按其作用是否需要蛋白因子的协助至少 可以分为

12、2 类：不依赖p 因子的终止和依赖p 因子的 终止。不依赖p 因子( 蛋白性终止因子) 的终止子在序 列上有一些共通的特点，即有一段富含G C 的反向重 复序列，其后跟随一段富含A T 的序列，因而转录生 成的m R N A 的序列中能形成发夹式结构，后继一连 串U ，正是R N A 聚合酶转录生成的这段m R N A 的结 构阻止R N A 聚合酶继续沿D N A 移动，并使聚合酶从 D N A 链上脱落下来，终止转录。依赖p 因子的终止子 其终止转录的作用需要p 因子的协同，或至少是受p 因子的影响。 不同的终止子的作用也有强弱之分，有的终止子 几乎能完全停止转录；有的贝| j 只是部分终

13、止转录，一 万方数据 部分R N A 聚合酶能越过这类终止序列继续沿D N A 移动并转录。如果一串结构基因群中间有这种弱终止 子的存在，则前后转录产物的量会有所不同，这也是 终止子调节基因群中不同基因表达产物比例的一种 方式。有的蛋白因子能作用于终止序列，减弱或取消 终止子的作用，称为抗终止作用，这种蛋白因子就称 为抗终止因子。 以上5 种元件是每一个操纵子必定含有的。其中 启动子、操纵子位于紧邻结构基因群的上游，终止子 在结构基因群之后，它们都在结构基因的附近，只能 对同一条D N A 链上的基因表达起调控作用，这种作 用在遗传学实验上称为顺式作用，启动子、操纵子和 终止子就属于顺式作用元

14、件。调控基因可以在结构基 因群附近，也可以远离结构基因，它是通过其基因产 物调控蛋白来发挥作用的，因而调控基因不仅能 对同一条D N A 链上的结构基因起表达调控作用，而 且能对不在一条D N A 链上的结构基因起作用，在遗 传学实验上称为反式作用，调控基因就属于反式作用 元件，其编码产生的调控蛋白称为反式调控因子。由 此，基因表达调控机理的关键在蛋白质与核酸的相互 作用上。 2 乳糖操纵子的表达调控 2 1 阻遏蛋白的负性调控 当大肠杆菌在没有乳糖的环境中生存时，l a c 操 纵子处于阻遏状态。此R 基因在其自身的启动子P R 控制下，低水平、组成性表达产生阻遏蛋白R ，每个细 胞中仅维持

15、约1 0 个分子的阻遏蛋白。R 以四聚体形 式与操纵子O 结合，阻碍了R N A 聚合酶与启动子 P l a c 的结合，阻止了基因的转录起动。R 的阻遏作用 不是绝对的，R 与O 偶尔解离，使细胞中还有极低水 平的B 一半乳糖苷酶及透过酶的生成。 当有乳糖存在时，乳糖受p 一半乳糖苷酶的催化 转变为别乳糖，与R 结合，使R 构象变化，R 四聚体 解聚成单体，失去与0 的亲和力，与O 解离，基因转 录开始，使B 一半乳糖苷酶在细胞内的含量可增加 1 0 0 0 倍。这就是乳糖对1 a c 操纵子的诱导作用。 2 2 C A P 的正性调控 细菌中的c A M P 含量与葡萄糖的分解代谢有关，

16、当细菌利用葡萄糖分解释放能量时，c A M P 生成少而 分解多，c A M P 含量低；相反，当环境中无葡萄糖可供 利用时，c A M P 含量就升高。细菌中有一种能与c A M P 特异结合的c A M P 受体蛋白C R P ，当C R P 未与c A M P 结合时它是没有活性的，当c A M P 浓度升高时，C R P 与c A M P 结合并发生空间构象的变化而活化，称为 C A P ，能以二聚体的方式与特定的D N A 序列结合。 在l a c 操纵子的启动子P l a c 上游端有一段序列 与P l a c 部分重叠的序列，能与C A P 特异结合，称为 C A P 结合位点。

17、C A P 与这段序列结合时，可增强R N A 聚合酶的转录活性，使转录提高5 0 倍。相反，当有葡 萄糖可供分解利用时，c A M P 浓度降低，C R P 不能被 活化，l a c 操纵子的结构基因表达下降。 由于P l a c 是弱启动子，单纯因乳糖的存在发生 去阻遏使l a c 操纵子转录开始，还不能使细菌很好利 用乳糖，必须同时有C A P 来加强转录活性，细菌才能 合成足够的酶来利用乳糖。l a c 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 这种机制，细菌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。 不难看出，C A P 结合

18、位点就是一种起正性调控作 用的操纵基因，C A P 则是对转录起正性作用的调控蛋 白激活蛋白，编码C R P 的基因也是一个调控基 因，不过它并不在l a c 操纵子的附近，C A P 可以对几 个操纵子都起作用。 综上所述，乳糖操纵子属于可诱导操纵子，这类 操纵子通常是关闭的，当受效应物作用后诱导转录起 始。这类操纵子使细菌能适应环境的变化，最有效地 利用环境能提供的能源底物。 参考文献： 1 张玉静分子遗传学北京：科学出版社，2 0 0 0 4 ：2 3 l 一2 4 9 2 韩贻仁分子细胞生物学北京；科学出版社，2 0 0 1 3 ：4 4 7 4 5 2 3 韦弗( 美) ，分子生物学

19、( 影印版) 北京；科学出版社，2 0 0 2 8 ： 1 7 S 1 9 0 封面照片说明 大熊猫A 池r o p o 如舢良巩o f e u 鲫 也叫熊猫、花熊、竹熊。可见于我国四川、甘肃和陕西部分地区。体长1 5 一1 8m ，尾长1 2 1 4c m ，体重8 0 1 2 5k g ，雌性比雄性体重轻1 0 2 0 ，大熊猫是中国古老、稀有、珍贵的特产动物。栖息于海拔20 0 0 35 0 0m 的 高山竹林中，除配偶和育仔外营单独生活。食物主要是竹叶、竹干和竹笋。 它嗅觉灵敏而视觉较迟钝，既善爬树也善游泳，主要在春季发情交配，孕期3 5 个月，每胎l 2 仔，5 7 年性 成熟，寿命

20、约3 0 年。 万方数据 乳糖操纵子乳糖操纵子 作者：刘本举， 李新梅， Liu Benju， Li Xinmei 作者单位：刘本举,Liu Benju(河南省濮阳市第一高级中学,457000)， 李新梅,Li Xinmei(河南师范大 学生命科学学院,河南,新乡,457000) 刊名： 中学生物学 英文刊名：MIDDLE SCHOOL BIOLOGY 年，卷(期)：2006，22(12) 被引用次数：0次 参考文献(3条)参考文献(3条) 1.张玉静 分子遗传学 2000 2.韩贻仁 分子细胞生物学 2001 3.韦弗 分子生物学 2002 相似文献(3条)相似文献(3条) 1.期刊论文 苏

21、晓东.金坚石.谢晓亮.SU Xiao-Dong.JIN Jian-Shi.XIE Sunney Xiaoliang 单分子水平的酶催化与 基因表达研究 -物理化学学报2010,26(7) 近半个多世纪以来生命科学取得了非凡的进展,从DNA双螺旋结构的提出,到第一个酶晶体结构的被解析,都得益于像X射线衍射、核磁共振、质谱这样 的物理化学工具的发展.如今,在深入细致地定量研究生物活体系统中我们正面临新的挑战,例如:了解酶及其他大分子复合物在体内是如何实时工作的,它 们在分子数很少时是怎样工作的,在活细胞中大分子复合物是如何协调工作的,以及不同的基因在活细胞中分子数很少的情况下是如何实现表达和不表达

22、 的等等.近十多年来,单分子成像,超高分辨率显微镜和单分子操纵技术在世界范围内被广泛地运用于生物医学研究,对生物化学和分子生物学的发展产生 着深远的影响,因为运用这些单分子、超高分辨技术,使很多如上述的令人感兴趣的生物学问题实现了单分子层面上的研究和理解.本文拟就近年来相关的 物理化学方法特别是单分子方法和技术在生物医学中的应用做一个简要介绍. 2.期刊论文 韩锋产.阎小君.侯瑜.苏成芝.肖乐义.郭晏海.崔大祥.李陕区.Feng Chan Han.Xiao Jun Yan.Yu Hou. Cheng Zhi Su.Le Yi Xiao.Yan Hai Guo.Da Xiang Cui.Shan

23、 Qu Li 定量检测Hp cagA基因内参标模板的构建及测 序 -世界华人消化杂志2000,8(2) 目的构建竞争性定量PCR检测幽门螺杆菌(Hp)cagA基因的内参标模板并做序列测定.方法根据cagA基因及Lac 蛋白的特异性结合部位的序列,设计二 对PCR引物(cagAp1,cagAp2,cagAp3,cagAp4)其中cagAp1及cagAp3用于扩增cagA基因25932788位碱基间196 bp的片段,cagAp2及cagAp4用于扩增 27892993位碱基之间204 bp的核酸片段;在cagAp1的5-端引入了BamH的限制性酶切位点,在cagAp2的5-端结合了Sal 的限制

24、性酶切点.在cagAp3的 5-端引入Lac 蛋白的特异性结合序列(21bp),在cagAp4的5-端结合了cagAp3之5-端21个碱基的反义DNA序列利用重组PCR,将乳糖操纵子中Lac 蛋白 的特异性结合序列重组入cagA基因400bp的片段中,得到cagA基因片段的重组体(rfcagA).将重组rfcagA定向克隆入pUC19进行序列测定.结果用DNA序列分 析仪双向测定rfcagA的序列,其含400bp的cagA片段及Lac 蛋白特异性结合部位的序列(21 bp),一级结构完全正确.结论内参标模板rfcagA构建,对竞争 性定量PCR检测HpcagA基因的方法的建立具有重要价值. 3

25、.学位论文 周莉 构建基于杆状病毒的哺乳动物双杂交系统 2005 本论文在高通量杆状病毒表达系统的基础上发展了哺乳动物双杂交系统。将表达GAL4BD-诱饵融合蛋白的盒式结构、表达VP16AD-猎物融合蛋白的盒 式结构以及上游激活序列、E1B基本启动子、gfp报告基因的盒式结构分别克隆在杆状病毒基因组上构建组成型的双杂交系统，并且引入Bsu36I的高通量 、零背景的克隆方式。 为了提高传统哺乳动物双杂交系统的灵敏性，还发展了增强型、诱导型和诱导-增强型的双杂交系统。将编码大肠杆菌乳糖操纵子阻遏蛋白LacI的 46-360氨基酸的区域或LacI的330-360氨基酸区域克隆在编码VP16激活结构域

26、的C端，利用LacI蛋白形成四聚体可将4倍的激活结构域融合蛋白招募在启动 子上，从而增强蛋白质相互作用的信号。将ARIAD公司赠送的响应雷帕霉素的基因表达系统也整合在哺乳动物双杂交系统中，并将SV40启动子替换成受雷 帕霉素诱导的白介素的启动子。在雷帕霉素类似物存在条件下，FRB-p65或FRB-p65-HSF1融合蛋白与FKBP-ZFHD1融合蛋白发生二聚化，重构转录因子的 活性，从而激活GAL4BD-诱饵融合蛋白与VP16AD-猎物融合蛋白的表达，使得重构GAL4BD-VP16AD转录因子的活性，最后激活报告基因gfp的表达。 本论文构建了组成型、增强型、诱导型和诱导-增强型四种双杂交系统

27、。组成型双杂交系统载体p,增强型双杂交载体,诱导型双杂交系统,诱导-增强 型双杂交载体。 为了验证组成型、增强型、诱导型及诱导增强型双杂交系统的有效性，以p53蛋白与大T抗原为蛋白质相互作用对，利用Bsu36I的克隆方式将其分别 克隆在诱饵载体和猎物载体上，然后转染哺乳动物HEK293细胞。实验结果表明，增强型双杂交系统确实能够增强p53蛋白与大T抗原相互作用的信号；在 10nM雷帕霉素类似物AP21967诱导24小时后，报告基因表达水平明显升高。 本文链接：http:/ 授权使用：复旦大学图书馆(fddxlwxsjc)，授权号：3466d1bb-6496-4ce2-afba-9e340189ec9f 下载时间：2010年11月20日