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1、,乳糖操纵子,动物学 刘林林,基因表达调控的基本概念 乳糖操纵子,主要内容：,1 基因表达调控的基本概念 基因表达（gene expression）:基因转录及翻译的过程，或基因指导下RNA和蛋白质的合成过程。 rRNA、tRNA编码基因转录合成RNA的过程也属于 基因表达,组成性表达(constitutive expression)：不易受环境变化而变化的一类基因的表达。 基因的差别表达(differential gene expression): 在个体发育中，某些基因在特定条件下才进行表达，而另一些基因在该条件下却关闭。,基因表达的时、空特异性 时间特异性（temporal specif
2、icity）：某些基因的表达严格按照特定的时间顺序进行。 空间特异性(spatial specificity)：某些基因在个体不同组织细胞中按照一定的顺序表达。又称细胞或组织特异性(cell or tissue specificity)。,分类：,持(看)家基因(house keeping genes):始终或经常性开启的基因,是维持细胞基本生命活动所必须的，如编码组成性蛋白的基因。 奢侈基因（luxury gene），指编码组织特异性蛋白的基因(tissue-specific gene) ，对细胞分化有重要影响，如角蛋白基因、肌动蛋白基因和血红蛋白基因等。,基因表达调控的意义：适应环境、维持
3、个体的生长发育、分化和增殖。 基因表达的调控水平：转录水平（transcriptional regulation）的调控；转录后水平（post-transcriptional regulation）的调控（RNA加工水平上的调控；翻译水平上的调控）。 组成性酶与诱导酶 组成性酶：不经诱导就经常而大量地存在于细胞中。 诱导酶：需经诱导才能（大量）产生。,调节蛋白（转录调节因子）：由调节基因所编码的蛋白因子。 负调节蛋白：阻遏蛋白 正调节蛋白：激活蛋白,根据操纵子对调节蛋白（阻遏蛋白或激活蛋白）的应答情况，可分为：正转录调控（正控制）和负转录调控（负控制）。,负转录调控：调节基因的产物是阻遏蛋白（
4、repressor），起着阻止结构基因转录的作用。 负控诱导：阻遏蛋白与效应物（诱导物）结合时，阻遏蛋白无活性, 不与调控区（顺式作用元件）结合，结构基因转录。 负控阻遏：阻遏蛋白与效应物（辅阻遏物）结合时，阻遏蛋白有活性，与调控区（顺式作用元件）结合，结构基因不转录。 正转录调控：调节基因产物是激活蛋白（activator），起着激活结构基因转录的作用。 正控诱导：效应物分子的存在使激活蛋白处于活性状态。 正控阻遏：效应物分子（辅阻遏物）的存在使激活蛋白处于非活性状态。,负控诱导,负控阻遏,正控诱导,正控阻遏,2 大肠杆菌的乳糖操纵子 二度生长现象（葡萄糖效应，降解物阻遏效应） 当葡萄糖和另
5、一种须经诱导才能利用的糖同时存在时，E. coli总是首先利用葡萄糖做碳源而生长，直到葡萄糖消耗完毕后，才开始利用另一种糖。,- 半乳糖苷酶的诱导,lac操纵子的本底水平表达 有两个矛盾是操纵子理论所不能解释的： 诱导物需要穿过细胞膜才能与阻遏物结合，而转运诱导物需要透过酶，而后者的合成也需要诱导。 解释：一些诱导物可以在透过酶不存在时进入细胞？() 一些透过酶可以在没有诱导物的情况下合成？() 真正的诱导物是异构乳糖而非乳糖，前者是在-半乳糖苷酶的催化下由乳糖形成的，因此，需要有-半乳糖苷酶的预先存在。 解释：在本底水平上, 有-半乳糖苷酶的组成型合成,即,在非诱导状态下,lac Z操纵子有
6、本底水平上的表达（有少量lac mRNA合成及翻译）。,安慰性诱导物：如果某种物质能够促使细菌产生酶而本身又不被分解，这种物质被称为安慰诱导物，如IPTG（异丙基- D-硫代半乳糖苷）和TMG(巯甲基半乳糖苷)等。,E. coli lac操纵子学说的提出,操纵子：由启动子、操纵基因及其控制下的一组功能相关的结构基因所组成的转录单位。操纵基因受调节基因产物的控制。,乳糖操纵子调控模型 Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子mRNA分子所编码。 启动子区(P)紧接着操纵区(O)区。 操纵区(O)是一小段序列（26bp），是阻遏物的结合位点。 当阻遏物与操纵基因结合时，lac mRNA转录起始受到抑制
7、。,Z编码-半乳糖苷酶：将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖。 Y编码-半乳糖苷透过酶：使外界的-半乳糖苷（如乳糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。 A编码-半乳糖苷乙酰基转移酶：乙酰辅酶A上的乙酰基转到-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。,在细菌中同时存在着诱导和阻遏的现象。诱导是细菌调节其分解底物供给生长的能力。阻遏是细菌调节其合成代谢产物的能力。无论是酶作用的小分子底物的调节，还是酶活性的产生，它们的启动是独自的，小分子底物称为诱导物（inducers）某些物质能阻止酶合成它们本身，此物质就称辅阻遏物（corepressors）。,诱导物（乳糖或IPTG）存在，与阻遏物结合时阻遏物从操纵基因上
8、头里下来，RNA聚合酶可通过启动子和操作基因正常转录出一条多顺反子mRNA从可翻译得到三种酶操纵子控制的重要特性是阻遏物的双重性：它既能阻止转录，又能识别小分子诱导物。阻遏物有2个结合位点：一个是结合诱导物的，另一个是结合操纵基因的。当诱导物在相应位点结合时，它改变了阻遏蛋白的构象，干扰了另一位点的活性。这种类型的调控叫变构调控,多亚基蛋白具有特殊的遗传特性,活性抑制物是有4个相同的亚基组成的四聚体 当野生型和突变型亚基都存在时，一个突变型的亚基可以导致整个四聚体的失活，即使另外三个亚基都是野生型的（即显性负效应）。 突变发生在DNA结合位点，可以这样解释突变效应：只有抑制物中4个亚基的DNA
9、结合位点都处于正常时，整个蛋白质才有活性。,操纵子的调控,1.抑制物结合诱导物（乳糖）后从操纵基因上脱离 抑制物与诱导物结合发生构象变化，使它与DNA的亲和力降低，因而从操纵基因上脱离。,The Lac Operon:When Glucose Is Present But Not Lactose,RNA Pol.,Come on, let me through,No way Jose!,The Lac Operon:When Lactose Is Present But Not Glucose,Lac,This lactose has bent me out of shape,Bind to me Polymerase,RNA Pol.,Yipee!,The Lac Operon:When Neither Lactose Nor Glucose Is Present,Bind to me Polymerase,RNA Pol.,STOP Right there Polymerase,Come on, let me through!,lac操纵子的双重调控,Summary, 2007 Paul Billiet ODWS,谢谢！,thanks,