1、乳糖操縱子的誘導(dǎo)原理 中心法則中心法則(the central dogma)DNARNA蛋白質(zhì)復(fù)制轉(zhuǎn)錄翻譯逆轉(zhuǎn)錄RNA復(fù)制基因表達基因表達(gene expression)-基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過程。產(chǎn)生各基因轉(zhuǎn)錄及翻譯的過程。產(chǎn)生各種種RNA(tRNA、mRNA、rRNA)和各種蛋白質(zhì)多肽鏈。和各種蛋白質(zhì)多肽鏈。RNA(tRNA、mRNA和和rRNA 基因的表達方式 根據(jù)生物對內(nèi)外環(huán)境刺激的反應(yīng)，將根據(jù)生物對內(nèi)外環(huán)境刺激的反應(yīng)，將基因表達的方式分為：基因表達的方式分為： 組成型表達 誘導(dǎo)和阻遏表達組成型表達組成型表達 （constitutive gene expression） 在個體發(fā)育的任一

2、階段都能在個體發(fā)育的任一階段都能在大多數(shù)細胞中在大多數(shù)細胞中持續(xù)進行持續(xù)進行的基因的基因表達，表達，無論表達的水平高或低無論表達的水平高或低，它，它受環(huán)境因素的影響較少受環(huán)境因素的影響較少、或變化或變化很小很小。 且基因表達產(chǎn)物通常是對且基因表達產(chǎn)物通常是對生命過程生命過程必需必需的、必不可少的，的、必不可少的，這類基因通常被稱為持家基因這類基因通常被稱為持家基因（housekeeping gene）。）。誘導(dǎo)和阻遏表達誘導(dǎo)和阻遏表達誘導(dǎo)誘導(dǎo)（induction）：）：在在特定的環(huán)境信號特定的環(huán)境信號刺激下，相應(yīng)基因被激刺激下，相應(yīng)基因被激活，從而使基因的活，從而使基因的表達產(chǎn)物增加表達產(chǎn)物增

3、加。這類基因稱為可誘導(dǎo)基因。這類基因稱為可誘導(dǎo)基因。 可誘導(dǎo)基因在特定環(huán)境中表達增強的過程，稱為可誘導(dǎo)基因在特定環(huán)境中表達增強的過程，稱為誘導(dǎo)誘導(dǎo) (induction)。乳糖乳糖 利用乳糖的三種酶表達利用乳糖的三種酶表達阻遏（阻遏（repression）：）：在在特定環(huán)境信號特定環(huán)境信號刺激下，相應(yīng)基因被抑制，刺激下，相應(yīng)基因被抑制，從而使基因的從而使基因的表達產(chǎn)物減少表達產(chǎn)物減少。這類基因稱為可阻遏基因。這類基因稱為可阻遏基因?？勺瓒艋虮磉_產(chǎn)物水平降低的過程稱為可阻遏基因表達產(chǎn)物水平降低的過程稱為阻遏阻遏 (repression）。）。 協(xié)調(diào)表達協(xié)調(diào)表達(coordinate expre

4、ssion) 在一定機制控制下，功能上相關(guān)的一組在一定機制控制下，功能上相關(guān)的一組基因，無論其為何種表達方式，均需基因，無論其為何種表達方式，均需協(xié)調(diào)協(xié)調(diào)一致、共同表達一致、共同表達，使各表達產(chǎn)物的分子比，使各表達產(chǎn)物的分子比例適當(dāng)，從而正常發(fā)揮功能。這種現(xiàn)象稱例適當(dāng)，從而正常發(fā)揮功能。這種現(xiàn)象稱為協(xié)調(diào)表達為協(xié)調(diào)表達 (coordinate expression)，這，這種調(diào)節(jié)稱為協(xié)調(diào)調(diào)節(jié)種調(diào)節(jié)稱為協(xié)調(diào)調(diào)節(jié) (coordinate regulation)。乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)和功能操縱子模型的提出操縱子模型的提出 1960-1961年，年，莫洛莫洛(Monod)(Monod)和雅各布和雅各布(Ja

5、cob)(Jacob)首次提出首次提出“操縱子操縱子”學(xué)說。學(xué)說。 獲獲19651965年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎 1940年，年， Monod發(fā)現(xiàn)：細菌在含葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基上生發(fā)現(xiàn)：細菌在含葡萄糖和乳糖的培養(yǎng)基上生長時，細菌先利用葡萄糖，葡萄糖用完后，才利用乳糖；在糖源轉(zhuǎn)長時，細菌先利用葡萄糖，葡萄糖用完后，才利用乳糖；在糖源轉(zhuǎn)變期，細菌的生長會出現(xiàn)停頓。即產(chǎn)生變期，細菌的生長會出現(xiàn)停頓。即產(chǎn)生“二次生長曲線二次生長曲線”。操縱子（操縱子（operon)：很多很多功能相關(guān)功能相關(guān)的的結(jié)構(gòu)基因串聯(lián)結(jié)構(gòu)基因串聯(lián)排列在染色體排列在染色體上，由一個上，由一個共同的控制區(qū)共同的控

6、制區(qū)來操縱這些基因的表達，包含這些結(jié)構(gòu)基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。因和控制區(qū)的整個核苷酸序列就稱為操縱子。 操縱子的組成： -結(jié)構(gòu)基因(structural gene, SG) ：操縱元中被調(diào)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)。乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)和功能 三個特異性序列：三個特異性序列： 操縱序列操縱序列 O (op

7、erator): 阻遏蛋白結(jié)合位點。阻遏蛋白結(jié)合位點。 啟動子啟動子 P (promoter): 位于結(jié)構(gòu)基因的上游。位于結(jié)構(gòu)基因的上游。 CAP結(jié)合位點：環(huán)結(jié)合位點：環(huán)cAMP受體蛋白受體蛋白(分解代謝物激活蛋白分解代謝物激活蛋白)結(jié)合位點。結(jié)合位點。 一個調(diào)節(jié)基因一個調(diào)節(jié)基因llac I：編碼阻遏蛋白，能結(jié)合于操縱序列位點。：編碼阻遏蛋白，能結(jié)合于操縱序列位點。乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)基因結(jié)構(gòu)基因 Z編碼編碼-半乳糖苷酶：半乳糖苷酶：將乳糖水解成葡萄糖和半乳糖。將乳糖水解成葡萄糖和半乳糖。 Y編碼編碼-半乳糖苷透過酶：半乳糖苷透過酶：使外界的使外界的-半乳糖苷（如乳糖）半乳糖苷（如乳糖）

8、能透過大腸桿菌細胞壁和原生質(zhì)膜進入細胞內(nèi)。能透過大腸桿菌細胞壁和原生質(zhì)膜進入細胞內(nèi)。 A編碼編碼-半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶：半乳糖苷乙?；D(zhuǎn)移酶：乙酰輔酶乙酰輔酶A上的乙?；D(zhuǎn)上的乙酰基轉(zhuǎn)到到-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)和功能 當(dāng)一個mRNA含有編碼一個以上蛋白質(zhì)的編碼信息，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

9、: 1 )乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)和功能乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)和功能 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)合到分散的DNA位點上。乳糖操縱子的結(jié)構(gòu)和功能阻遏蛋白的阻遏蛋白的負負調(diào)控調(diào)控 (negative control of repressor)阻遏蛋白的阻遏蛋白的負負調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)(negative control of repressor) 無乳糖無乳糖(no lactose):(no lactose)

10、: laclac操縱元處于阻操縱元處于阻遏狀態(tài)遏狀態(tài)(repression)(repression) 有乳糖有乳糖(presence of lactose)(presence of lactose)：laclac操操縱元即可被誘導(dǎo)縱元即可被誘導(dǎo)(derepression,induction)(derepression,induction) 誘導(dǎo)劑誘導(dǎo)劑(inducer):(inducer): 別乳糖、半乳糖、別乳糖、半乳糖、IPTGIPTG（異丙基硫代半乳糖苷）（異丙基硫代半乳糖苷）The Lac Operon:When Glucose Is Present But Not LactoseRe

11、pressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRNAPol.RepressorRepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveCome on, let me throughNo way!CAPCAPThe Lac Operon:When Lactose Is Present But Not GlucoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveLacRepre

12、ssorRepressorXThis lactose has bent me out of shapeYeah!RNAPol.RNAPol. 乳糖操縱子的調(diào)控機理乳糖操縱子的調(diào)控機理乳糖操縱子誘導(dǎo)物別乳糖別乳糖(allolactose)是誘導(dǎo)物是誘導(dǎo)物為什么選用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

13、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。 為什么選用IPTG作誘導(dǎo)物？ 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）。不被細菌分不被細菌分解性質(zhì)穩(wěn)定，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基因下而有效地被運送。為什么選用IPTG作誘導(dǎo)物？乳糖（葡萄糖-1，4-D-半乳糖苷） 半乳糖苷鍵中用半乳糖苷鍵中用硫硫代替了代替了氧氧，失去了水解活性，失去了水解活性，但硫代半乳糖苷和同源的氧代化

14、合物與酶位點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，的親和力相同，IPTG雖不為雖不為-半乳糖苷酶所識半乳糖苷酶所識別，但它是別，但它是lac基因簇十分有效的誘導(dǎo)物?；虼厥钟行У恼T導(dǎo)物。乳糖操縱子的乳糖操縱子的CAP正調(diào)控正調(diào)控（Positive Control of CAPPositive Control of CAP） CAP(catabolite activator protein)(catabolite activator protein) - -分解代謝基因激活蛋白分解代謝基因激活蛋白 又稱為又稱為 CRP (cAMP receptor protein), (cAM

15、P receptor protein), laclac operon operon高水平轉(zhuǎn)錄高水平轉(zhuǎn)錄必需必需的一個的一個激活蛋白激活蛋白。 CAP( (同二聚體同二聚體),),含含 DNA結(jié)合區(qū)結(jié)合區(qū) 以二聚體的方式與特定的以二聚體的方式與特定的DNADNA序列結(jié)合序列結(jié)合 cAMP結(jié)合區(qū)結(jié)合區(qū)與與cAMPcAMP特異結(jié)合，并發(fā)生空特異結(jié)合，并發(fā)生空間構(gòu)象的變化間構(gòu)象的變化, ,形成形成cAMP-CAPcAMP-CAP復(fù)合物（有活性復(fù)合物（有活性）乳糖操縱子的乳糖操縱子的CAP正調(diào)控正調(diào)控（Positive Control of CAPPositive Control of CAP） 當(dāng)當(dāng)C

16、AP與與CAP結(jié)合位點這段序列結(jié)合時，結(jié)合位點這段序列結(jié)合時，可激活可激活RNA轉(zhuǎn)錄酶活性，使之提高轉(zhuǎn)錄酶活性，使之提高50X 葡萄糖葡萄糖 降解產(chǎn)物降解產(chǎn)物 ATP cAMP 5AMPCRP（非活性狀態(tài)）（非活性狀態(tài)） CAP（活性狀態(tài)）（活性狀態(tài)）乳糖操縱子的乳糖操縱子的CAP正調(diào)控正調(diào)控（Positive Control of CAPPositive Control of CAP）+ + + + + + + + 轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄無葡萄糖，無葡萄糖，cAMP濃度高時濃度高時促進轉(zhuǎn)錄促進轉(zhuǎn)錄有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP濃度低時濃度低時不促進轉(zhuǎn)錄不促進轉(zhuǎn)錄CAPZYAOPDNACAPCAPCAPCAP

17、CAP乳糖操縱子的乳糖操縱子的CAP正調(diào)控正調(diào)控（Positive Control of CAPPositive Control of CAP） 葡萄糖效應(yīng)：當(dāng)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(dāng)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。乳糖操縱子的乳糖操縱子的協(xié)調(diào)調(diào)控調(diào)

18、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操縱子基因表達受阻遏蛋白和CAP的雙重調(diào)控的雙重調(diào)控The Lac Operon:When Lactose Is Present But Not GlucoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRep

19、ressor mRNAHey man, Im constitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorXThis lactose has bent me out of shapeCAPcAMPCAPcAMPBind to mePolymeraseYeah!RNAPol.RNAPol.The Lac Operon:When Neither Lactose Nor Glucose Is PresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBind to mePolymeraseRNAPol.RepressorRepressor mRNAHey man, Im constitutiveRepressorSTOPRight therePolymeraseCome on, let me through !Alright, Im off to the races . . .Lac操縱子基因表達受阻遏蛋白和操縱子基因表達受阻遏