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1、关于基因的表达与调控上第1页，讲稿共145张，创作于星期日概述概述一、基因表达的概念一、基因表达的概念geneexpression：基因转录及翻译的过程。对这个：基因转录及翻译的过程。对这个过程的调节就称为过程的调节就称为generegulation。rRNA、tRNA编码基因转录合成编码基因转录合成RNA的过程也属于基因表达。的过程也属于基因表达。第2页，讲稿共145张，创作于星期日组成性表达组成性表达(constitutiveexpression)适应性表达适应性表达(adaptiveexpression）二、基因表达的方式二、基因表达的方式第3页，讲稿共145张，创作于星期日1、组成型表
2、达：、组成型表达：指不大受环境变动而变化的一类基因表达。指不大受环境变动而变化的一类基因表达。某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为称为管家基因管家基因(housekeepinggene)。无无论论表表达达水水平平高高低低，管管家家基基因因较较少少受受环环境境因因素素影影响响，而而是是在在个个体体各各个个生生长长阶阶段段的的大大多多数数或或几几乎乎全全部部组组织织中中持持续续表表达达，或或变变化化很很小小。区区别别于于其其他他基基因因，这这类类基因表达被视为基因表达被视为组成型表达组成型表达(constitutiveexpres
3、sion)。第4页，讲稿共145张，创作于星期日2、适应性表达、适应性表达指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。达。n应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导(induction)，这类基因被称为，这类基因被称为可诱导的基因可诱导的基因(induciblegene)；n相反，随环境条件变化而基因表达水平降低的现象相反，随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏称为阻遏(repression)，相应的基因被称为，相应的基因被称为可阻遏的基可阻遏的基因因(repressiblegene)。n在
4、一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论在一定机制控制下，功能上相关的一组基因，无论其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即其为何种表达方式，均需协调一致、共同表达，即为为协调表达协调表达(coordinateexpression)，这种调节称为协，这种调节称为协调调节调调节(coordinateregulation)。第5页，讲稿共145张，创作于星期日三、基因表达的规律三、基因表达的规律时间性和空间性时间性和空间性1、时间特异性（、时间特异性（temporalspecificity）按功能需要，某一特定基因的表达严格按按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因
5、表达的特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间时间特异性。特异性。多细胞生物基因表达的时间特异性又称多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶阶段特异性段特异性(stagespecificity)。第6页，讲稿共145张，创作于星期日2、空间特异性、空间特异性(spatialspecificity)基基因因表表达达伴伴随随时时间间顺顺序序所所表表现现出出的的这这种种分分布布差差异异，实实际际上上是是由由细细胞胞在在器器官官的的分分布布决决定定的的，所所以以空空间间特特异异性性又又称称细细胞胞或或组组织织特特异异性性(cell or tissuespecificity)。在在个个体体生生长长全全过过程
6、程，某某种种基基因因产产物物在在个个体体按按不不同同组组织织空空间间顺顺序序出出现现，称称之之为为基基因因表表达达的的空空间间特异性特异性。第7页，讲稿共145张，创作于星期日四、基因表达调控的生物学意义四、基因表达调控的生物学意义n适应环境、维持生长和增殖适应环境、维持生长和增殖（原核、真核）（原核、真核）n维持个体发育与分化维持个体发育与分化（真核）（真核）第8页，讲稿共145张，创作于星期日五、基因表达调控的层次五、基因表达调控的层次转录水平转录水平基因结构活化基因结构活化转录起始（基因表达基本控制点）转录起始（基因表达基本控制点）转录后水平转录后水平转录后加工转录后加工转录产物的转运转
7、录产物的转运翻译水平翻译水平翻译调控翻译调控翻译后加工翻译后加工蛋白质降解蛋白质降解第9页，讲稿共145张，创作于星期日六、六、转录水平转录水平-基因转录激活调节基本要素基因转录激活调节基本要素（一）（一）特异特异DNA序列序列（二）（二）调节蛋白调节蛋白（三）（三）RNA聚合酶聚合酶第10页，讲稿共145张，创作于星期日1.原核生物的特异原核生物的特异DNA序列序列原核生物基因表达与调控是通过操纵子机制来实现的。原核生物基因表达与调控是通过操纵子机制来实现的。操纵子操纵子是由功能上相关联的多个编码序列（结构基因）及其上游的调控序是由功能上相关联的多个编码序列（结构基因）及其上游的调控序列成簇
8、串联在一起构成的一个转录协调单位。列成簇串联在一起构成的一个转录协调单位。调控序列调控序列包括操纵序列包括操纵序列(O)、启动序列、启动序列(P)和调节基因和调节基因(I/R)等组件。等组件。（一）特异（一）特异DNA序列序列第11页，讲稿共145张，创作于星期日操纵子操纵子调节基因调节基因启动序列启动序列操纵序列操纵序列编码序列（编码序列（结构基因结构基因）表达表达转录转录ICAPPOZYA阻遏蛋白阻遏蛋白结合部位结合部位RNA聚合酶聚合酶结合部位结合部位启动序列（启动序列（P）：）：其中的其中的-35区区-10区区是是RNA聚合酶识别并结合的部位。聚合酶识别并结合的部位。多顺反子多顺反子m
9、RNA阻遏蛋白阻遏蛋白（负性调节）（负性调节）（正性调节）正性调节）多种蛋白质多种蛋白质第12页，讲稿共145张，创作于星期日2.真核生物的特异真核生物的特异DNA序列序列真核生物基因组中含有可以调控自身基因表达的特异真核生物基因组中含有可以调控自身基因表达的特异DNA序列，称为顺式作用元件。序列，称为顺式作用元件。顺式作用元件能够被各种转录调节蛋白特异识别顺式作用元件能够被各种转录调节蛋白特异识别和结合，从而影响基因表达活性。和结合，从而影响基因表达活性。启动子启动子顺式作用元件又分顺式作用元件又分增强子增强子沉默子沉默子第13页，讲稿共145张，创作于星期日1)顺式作用元件顺式作用元件(c
10、is-actingelement)可影响自身基因表达活性的可影响自身基因表达活性的DNA序列序列BADNA编码序列编码序列转录起始点转录起始点不不同同真真核核生生物物的的顺顺式式作作用用元元件件中中也也会会发发现现一一些些共共有有序序列列，如如TATA盒盒、CAAT盒盒等等，这这些些共共有有序列是序列是RNA聚合酶或特异转录因子的结合位点。聚合酶或特异转录因子的结合位点。第14页，讲稿共145张，创作于星期日（二）调节蛋白（二）调节蛋白1.原核生物的调节蛋白（原核生物的调节蛋白（3类）类）特异因子特异因子决定决定RNA聚合酶对启动序列的特异识别和结合能力；聚合酶对启动序列的特异识别和结合能力；
11、(如，如，RNA聚合酶的聚合酶的 因子因子)阻遏蛋白阻遏蛋白通过与操纵序列结合，阻遏基因转录，发挥负性调控作用；通过与操纵序列结合，阻遏基因转录，发挥负性调控作用；（由调节基因表达的阻遏蛋白）（由调节基因表达的阻遏蛋白）激活蛋白激活蛋白与启动子上游与启动子上游DNA序列结合，促进序列结合，促进RNA聚合酶转录活性，发挥正聚合酶转录活性，发挥正性调控作用。性调控作用。(如，如，CAP分解代谢物基因活化蛋白分解代谢物基因活化蛋白)第15页，讲稿共145张，创作于星期日2.真核生物的调节蛋白真核生物的调节蛋白反式作用因子反式作用因子能直接或间接与顺式作用元件相互作用，进而调控基因转录的一类调能直接或
12、间接与顺式作用元件相互作用，进而调控基因转录的一类调节蛋白，统称为反式（作用）因子。节蛋白，统称为反式（作用）因子。(trans-actingfactor)按其功能不同，常有以下三类：按其功能不同，常有以下三类：基本转录因子基本转录因子转录调节因子转录调节因子共调节因子共调节因子第16页，讲稿共145张，创作于星期日（1）基本转录因子（基本转录因子（TF）是是指指能能够够在在启启动动子子部部位位与与核核心心序序列列TATA盒盒和和RNAPol结结合合，形形成转录前起始复合物（成转录前起始复合物（PIC）的一类调节蛋白，以起动转录。）的一类调节蛋白，以起动转录。与与RNA聚合酶聚合酶(RNAPo
13、l)结合的结合的(基本基本)转录因子有：转录因子有：TFA，TFB，TFD，TFE，TFF，TFH,TFJ等。等。首首先先由由TFD与与启启动动子子TATA盒盒结结合合，然然后后按按一一定定的的时时空空顺顺序序依依次次结结合合RNAPol和其它转录因子，形成和其它转录因子，形成PIC。第17页，讲稿共145张，创作于星期日(2)(2)转录调节因子转录调节因子 这类调节蛋白能识别并结合转录起始点上游的调控序列或远端的这类调节蛋白能识别并结合转录起始点上游的调控序列或远端的增强子元件，通过蛋白质增强子元件，通过蛋白质-DNA相互作用而影响转录活性。相互作用而影响转录活性。起激活转录作用起激活转录作
14、用转录激活因子；转录激活因子；起阻遏转录作用起阻遏转录作用转录阻遏因子。转录阻遏因子。（3 3）共调节因子共调节因子 另有一类与转录调节因子发生蛋白蛋白相互作用，进而影响它们另有一类与转录调节因子发生蛋白蛋白相互作用，进而影响它们的分子构象，影响转录活性，称共调节因子。的分子构象，影响转录活性，称共调节因子。如果与转录激活因子有协同作用如果与转录激活因子有协同作用共激活因子；共激活因子；与转录阻遏因子有协同作用与转录阻遏因子有协同作用共阻遏因子。共阻遏因子。第18页，讲稿共145张，创作于星期日7.1原核基因表达调控总论原核基因表达调控总论7.1.1原核基因表达调控的类型与特点原核基因表达调控
15、的类型与特点1、根据操纵子对调节蛋白、根据操纵子对调节蛋白(阻遏蛋白或激活蛋白阻遏蛋白或激活蛋白)的应答，的应答，正转录调控正转录调控负转录调控负转录调控调节基因调节基因RNA调节蛋白调节蛋白第19页，讲稿共145张，创作于星期日调节基因调节基因操纵基因操纵基因结构基因结构基因激活蛋白激活蛋白正转录调控正转录调控正转录调控正转录调控如果在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加入这种调节如果在没有调节蛋白质存在时基因是关闭的，加入这种调节蛋白质后基因活性就被开启，这样的调控正转录调控。蛋白质后基因活性就被开启，这样的调控正转录调控。第20页，讲稿共145张，创作于星期日调节基因调节基因操纵基因操纵
16、基因结构基因结构基因阻遏蛋白阻遏蛋白负转录调控负转录调控负转录调控负转录调控在没有调节蛋白质存在时基因是表达的，加入这种调节蛋白在没有调节蛋白质存在时基因是表达的，加入这种调节蛋白质后基因表达活性便被关闭，这样的调控负转录调控。质后基因表达活性便被关闭，这样的调控负转录调控。第21页，讲稿共145张，创作于星期日根据辅因子根据辅因子(小分子小分子)结合后调控效果，可分：结合后调控效果，可分：开启调控系统中结构基因的转录活性开启调控系统中结构基因的转录活性诱导诱导关闭调控系统中结构基因的转录活性关闭调控系统中结构基因的转录活性阻遏阻遏操纵子调控系统的基本类型操纵子调控系统的基本类型n可诱导负控制
17、系统可诱导负控制系统n可诱导正控制系统可诱导正控制系统n可阻遏负控制系统可阻遏负控制系统n可阻遏正控制系统可阻遏正控制系统第22页，讲稿共145张，创作于星期日第23页，讲稿共145张，创作于星期日几个概念：几个概念：n诱导物诱导物(inducer)：指当作用于细胞群体时指当作用于细胞群体时,通过诱导机通过诱导机制、能增加特定基因转录的制、能增加特定基因转录的mRNA含量的一种化学因含量的一种化学因子或物理因子子或物理因子,n辅阻遏物辅阻遏物(corepressor)：一种能与阻遏蛋白形成功能阻一种能与阻遏蛋白形成功能阻遏物，而使合成代谢的操纵子受到阻遏的代谢终产物。遏物，而使合成代谢的操纵子
18、受到阻遏的代谢终产物。第24页，讲稿共145张，创作于星期日n正调控与负调控并非互相排斥的两种机制，而是正调控与负调控并非互相排斥的两种机制，而是生物体适应环境的需要，有的系统既有正调控又生物体适应环境的需要，有的系统既有正调控又有负调控；有负调控；原核生物以负调控为主，真核生物以正调控原核生物以负调控为主，真核生物以正调控为主；为主；降解代谢途径中既有正调控又有负调控；合降解代谢途径中既有正调控又有负调控；合成代谢途径中一般以负调控来控制产物自身的合成代谢途径中一般以负调控来控制产物自身的合成。成。第25页，讲稿共145张，创作于星期日1.可诱导调节2.可阻遏调节7.1.2原核基因表达调控的
19、主要特点原核基因表达调控的主要特点7.1.3弱化子对基因活性的影响弱化子对基因活性的影响7.1.4降解物对基因活性的影响降解物对基因活性的影响7.1.5细菌的应急反应细菌的应急反应第26页，讲稿共145张，创作于星期日1、DiscoveryofOperonn1961年年,F.Jacob&J.Monod提出提出,此后不断完善。此后不断完善。获获1965年诺年诺贝尔生理学和医学奖贝尔生理学和医学奖n1940年，年，Monod发现：细菌在含葡萄糖和乳糖的培养基上生长时，发现：细菌在含葡萄糖和乳糖的培养基上生长时，细菌先利用葡萄糖，葡萄糖用完后，才利用乳糖；在糖源转变期，细菌先利用葡萄糖，葡萄糖用完后
20、，才利用乳糖；在糖源转变期，细菌的生长会出现停顿。即产生细菌的生长会出现停顿。即产生n细胞中存在两种酶，即组成酶与诱导酶细胞中存在两种酶，即组成酶与诱导酶n1947年，报告：年，报告：“酶的适应现象及其在细胞分化中的意义酶的适应现象及其在细胞分化中的意义”FrancisJacob JacquesMonod 7.2乳糖操纵子与负乳糖操纵子与负控诱导系统控诱导系统第27页，讲稿共145张，创作于星期日n1951年，年，Monod与与Jacob合作，发现两对基因：合作，发现两对基因：Z基因基因：与合成：与合成-半乳糖苷酶有关；半乳糖苷酶有关；I基因基因：决定细胞对诱导物的反应。：决定细胞对诱导物的反
21、应。nSzilard：I基因决定阻遏物的合成，当阻遏物存在时，基因决定阻遏物的合成，当阻遏物存在时，酶无法合成，只有有诱导物存在，才能去掉该阻遏物。酶无法合成，只有有诱导物存在，才能去掉该阻遏物。nJacob：结构基因旁有开关基因（：结构基因旁有开关基因（操纵基因操纵基因），阻遏），阻遏物通过与开关基因的结合，控制结构基因的表达。物通过与开关基因的结合，控制结构基因的表达。第28页，讲稿共145张，创作于星期日n操纵子操纵子是一种完整的具有特定功能的细菌基因表是一种完整的具有特定功能的细菌基因表达和调节的单位，包括达和调节的单位，包括调节基因调节基因，操纵位点操纵位点，结构结构基因基因，组成一
22、个控制单元。，组成一个控制单元。结构基因：结构基因：产生产生mRNA,合成蛋白质合成蛋白质操纵位点操纵位点operator：启动子结合位点：启动子结合位点调节基因：产生调节蛋白调节基因：产生调节蛋白（与操纵位点结合）（与操纵位点结合）结构基因不转录结构基因不转录诱导物存在时，可与阻遏蛋白结合诱导物存在时，可与阻遏蛋白结合结构基因转录结构基因转录2、操纵子的定义、操纵子的定义第29页，讲稿共145张，创作于星期日7.2.1酶的诱导酶的诱导lac体系受调控的证据体系受调控的证据第30页，讲稿共145张，创作于星期日n细菌对乳糖的利用及其相关的酶细菌对乳糖的利用及其相关的酶:乳糖乳糖(在通透酶作用下
23、进入细菌）在通透酶作用下进入细菌）-半乳糖苷酶半乳糖苷酶别构乳糖别构乳糖-半乳糖苷酶半乳糖苷酶葡萄糖葡萄糖+半乳糖半乳糖-半乳糖苷乙酰基转移酶半乳糖苷乙酰基转移酶第31页，讲稿共145张，创作于星期日1)lac操纵子的本底水平操纵子的本底水平(basallevel)表达表达有两个矛盾是操纵子理论所不能解释的：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，后者的合成有需要诱导。过酶，后者的合成有需要诱导。真正的诱导物是异构乳糖而非乳糖，前者是在真正的诱导物是异构乳糖而非乳糖，前者是在-半乳
24、糖甘酶的半乳糖甘酶的催化下由乳糖形成的，因此，需要有催化下由乳糖形成的，因此，需要有-半乳糖甘酶的预先存在。半乳糖甘酶的预先存在。一些诱导物可以在透过酶不存在时进入细胞？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？一些透过酶可以在没有诱导物的情况下合成？解释：解释：本底水平的组成型合成：非诱导状态下有少量的本底水平的组成型合成：非诱导状态下有少量的lac mRNA合成。合成。第32页，讲稿共145张，创作于星期日分解底物的酶只有在底分解底物的酶只有在底物存在时才出现！物存在时才出现！n无乳糖时，几个无乳糖时，几个b b-gal/cell加入乳糖时，加入乳糖时
25、，5000个个n乳糖的诱导作用是由酶前体转乳糖的诱导作用是由酶前体转化而来，还是诱导新酶合成？化而来，还是诱导新酶合成？培养基（培养基（35S-aa,无乳糖）无乳糖）E.coli繁殖繁殖培养基（无培养基（无35S-aa,加入乳糖）加入乳糖）-gal(无无35S)第33页，讲稿共145张，创作于星期日大肠杆菌对乳糖的反应大肠杆菌对乳糖的反应培养基：甘油培养基：甘油按照按照lac操纵子本底水平的表达，每个细胞内有几个分子的操纵子本底水平的表达，每个细胞内有几个分子的-半乳糖苷酶和半乳糖苷酶和-半乳糖苷透过酶；半乳糖苷透过酶；培养基：加入乳糖培养基：加入乳糖少量乳糖少量乳糖透过酶透过酶进入细胞进入细
26、胞-半乳糖苷酶半乳糖苷酶异构乳糖异构乳糖诱导物诱导物诱导诱导lac mRNA的生物合成的生物合成大量乳糖进入细胞大量乳糖进入细胞多数被降解为葡萄糖和半乳糖（碳源和能源）多数被降解为葡萄糖和半乳糖（碳源和能源）异构乳糖异构乳糖第34页，讲稿共145张，创作于星期日乙酰基转移酶乙酰基转移酶半乳糖苷透性酶半乳糖苷透性酶-半乳糖苷酶半乳糖苷酶操纵位点操纵位点调节基因调节基因7.2.2lacOperon的模型及其影响因子的模型及其影响因子第35页，讲稿共145张，创作于星期日nZ编码编码-半乳糖苷酶：半乳糖苷酶：将乳糖水解成葡萄糖和半乳将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖糖nY编码编码-半乳糖苷透过酶：半乳糖苷透
27、过酶：使外界的使外界的-半乳糖苷半乳糖苷（如乳糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜（如乳糖）能透过大肠杆菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。进入细胞内。nA编码编码-半乳糖苷乙酰基转移酶：半乳糖苷乙酰基转移酶：乙酰辅酶乙酰辅酶A上的上的乙酰基转到乙酰基转到-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。第36页，讲稿共145张，创作于星期日mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白IDNAZYAOPpol没有乳糖存在时没有乳糖存在时阻遏蛋白的调节阻遏蛋白的调节阻遏基因阻遏基因1.乳糖操纵子调控模型乳糖操纵子调控模型第37页，讲稿共145张，创作于星期日mRNA阻遏蛋白阻遏蛋白有乳糖存在时有乳糖存在时IDNAZ
28、YAOPpol启动转录启动转录mRNA乳糖乳糖别构乳糖别构乳糖-半乳糖苷酶半乳糖苷酶第38页，讲稿共145张，创作于星期日（1）mRNA分子的启动子紧接着分子的启动子紧接着O区，而位于区，而位于I与与O之间的启动之间的启动子区子区(P)，不能单独起动合成，不能单独起动合成-半乳糖苷酶和透过酶的生理半乳糖苷酶和透过酶的生理过程。过程。2.乳糖操纵子调控机制乳糖操纵子调控机制阻遏物阻遏物lac I基因产物及功能基因产物及功能 lac 操纵子阻遏物操纵子阻遏物mRNA是由弱是由弱启动子控制下组成型合成的，启动子控制下组成型合成的，每个细胞中有每个细胞中有5-10个阻遏物分子。个阻遏物分子。当当I基因
29、由弱启动子突变成强启动子，基因由弱启动子突变成强启动子，细胞内就不可能产生足够的诱导物来细胞内就不可能产生足够的诱导物来克服阻遏状态，整个克服阻遏状态，整个lac操纵子在这操纵子在这些突变体中就不可诱导。些突变体中就不可诱导。第39页，讲稿共145张，创作于星期日RNA聚合酶结合部位聚合酶结合部位阻遏物结合部位阻遏物结合部位（2）操纵基因是）操纵基因是DNA上的一小段序列（仅为上的一小段序列（仅为26bp），是阻遏物的结合），是阻遏物的结合位点。位点。第40页，讲稿共145张，创作于星期日操纵位点的回文序列操纵位点的回文序列第41页，讲稿共145张，创作于星期日（3）当阻遏物与操纵基因结合时，
30、）当阻遏物与操纵基因结合时，lacmRNA的转录起始受到的转录起始受到抑制。抑制。第42页，讲稿共145张，创作于星期日（4）诱导物通过与阻遏物结合，）诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，使之不改变它的三维构象，使之不能与操纵基因结合，从而激能与操纵基因结合，从而激发发lacmRNA的合成。当有诱的合成。当有诱导物存在时，操纵基因区没导物存在时，操纵基因区没有被阻遏物占据，所以启动有被阻遏物占据，所以启动子能够顺利起始子能够顺利起始mRNA的合的合成。成。第43页，讲稿共145张，创作于星期日阻遏蛋白单体的结构阻遏蛋白单体的结构阻遏蛋白单体阻遏蛋白单体的三级结构的三级结构第44页，讲稿共
31、145张，创作于星期日第45页，讲稿共145张，创作于星期日乳糖乳糖（5）诱导物不是乳糖）诱导物不是乳糖乳糖代谢乳糖代谢生成生成lac诱导物诱导物Allolctose异构乳糖异构乳糖别构乳糖别构乳糖-半乳糖苷酶半乳糖苷酶第46页，讲稿共145张，创作于星期日nIPTG，异丙基异丙基-D-硫代半硫代半乳糖苷乳糖苷nTMG，巯甲基半乳糖苷，巯甲基半乳糖苷nONPG,O-硝基半乳糖苷硝基半乳糖苷在研究诱导作用时，很少使用乳糖在研究诱导作用时，很少使用乳糖安慰诱导物安慰诱导物(gratuitousinducer)：如果某种物质能够促使细菌产生如果某种物质能够促使细菌产生酶而本身又不被分解，这种物酶而本
32、身又不被分解，这种物质被称为安慰诱导物，如质被称为安慰诱导物，如:第47页，讲稿共145张，创作于星期日第48页，讲稿共145张，创作于星期日-complementationlacZM15基因是缺失了编码基因是缺失了编码-半乳糖苷酶中第半乳糖苷酶中第11-41个氨基酸个氨基酸的的lacZ基因，无酶学活性。对于只编基因，无酶学活性。对于只编码码N-端端140个氨基酸的个氨基酸的lacZ基因基因（称为（称为lacZ），其产物也没有酶学，其产物也没有酶学活性。但这两个无酶学活性的产物混活性。但这两个无酶学活性的产物混合在一起时，可恢复合在一起时，可恢复-半乳糖苷酶半乳糖苷酶的活性，实现基因内互补。的
33、活性，实现基因内互补。在在lacZ编码区上游插入一小段编码区上游插入一小段DNA片段（如片段（如51个碱基对的多克隆位点），个碱基对的多克隆位点），不影响不影响-半乳糖苷酶的功能内互补。半乳糖苷酶的功能内互补。但是，若在该但是，若在该DNA小片段中再插小片段中再插入一个片段，将几乎不可避免地入一个片段，将几乎不可避免地导致产生无导致产生无-互补能力的互补能力的-半乳半乳糖苷酶片段。利用这一互补性质，可用糖苷酶片段。利用这一互补性质，可用于筛选在载体上插入了外源片段的重组于筛选在载体上插入了外源片段的重组质粒。在相应的载体系统中，质粒。在相应的载体系统中，lacZM15放在放在F质粒上质粒上,随
34、宿主传随宿主传代；代；lacZ放在载体上放在载体上,作为筛选标记。作为筛选标记。XL1-Blue菌株基因型：菌株基因型：endA1gyrA96(nalR)thi-1recA1relA1lacglnV44FTn10proAB+lacIq(lacZ)M15hsdR17(rK-mK+)第49页，讲稿共145张，创作于星期日+glucose-glucoseTime(hr)Unitsofb-galactosidase+lactoseGlucoseadded（6）葡萄糖对）葡萄糖对lac操纵子的影响操纵子的影响代谢物阻遏效应代谢物阻遏效应实验，在实验，在LacGlu培养基上培养基上E.coli只利用只利用
35、G，只有，只有G耗尽时，才会利用耗尽时，才会利用lacn葡萄糖抑制葡萄糖抑制lacmRNA的转录：的转录：可阻止诱导物引起的阻遏物失活效应，仅去掉阻遏物可阻止诱导物引起的阻遏物失活效应，仅去掉阻遏物并不能启动并不能启动lac基因表达基因表达,有其它因素参与有其它因素参与分解代谢阻遏分解代谢阻遏(cataboliterepression)第50页，讲稿共145张，创作于星期日n只有当以乳糖为唯一碳源时，只有当以乳糖为唯一碳源时，-半乳糖苷酶的合成才增加。半乳糖苷酶的合成才增加。但是在以乳糖和葡萄糖为碳源时，如果加入但是在以乳糖和葡萄糖为碳源时，如果加入cAMP，-半乳半乳糖苷酶的合成速率也会大大
36、提高，可达到只用乳糖为碳源时的水糖苷酶的合成速率也会大大提高，可达到只用乳糖为碳源时的水平。这说明，平。这说明，cell内内cAMP的浓度能影响到的浓度能影响到-半乳糖苷酶的合成半乳糖苷酶的合成速率。速率。n葡萄糖对葡萄糖对lac操纵子表达的抑制是间接的操纵子表达的抑制是间接的第51页，讲稿共145张，创作于星期日ATP腺甘酸环化酶腺甘酸环化酶cAMP（环腺甘酸）（环腺甘酸）大肠杆菌中：无葡萄糖，大肠杆菌中：无葡萄糖，cAMP浓度高；浓度高；有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP浓度低浓度低cAMP（环化腺苷一磷酸，（环化腺苷一磷酸，cyclicAMP）1965年，年，B.Magasonik发现在大肠杆
37、菌中也含有发现在大肠杆菌中也含有cAMP，而，而且菌株内且菌株内cAMP的含量常随细胞的生理状态发生变化，即当细胞的含量常随细胞的生理状态发生变化，即当细胞处于碳源饥饿条件下，处于碳源饥饿条件下，cAMP水平显著提高，反之在细胞生水平显著提高，反之在细胞生长的培养基中含有大量葡萄糖时，长的培养基中含有大量葡萄糖时，cAMP水平明显降低；水平明显降低；第52页，讲稿共145张，创作于星期日腺苷环化酶腺苷环化酶n腺苷酸环化酶位于细胞膜上，腺苷酸环化酶位于细胞膜上，其活性与葡萄糖运输的酶有其活性与葡萄糖运输的酶有关，因此关，因此cAMP调控乳糖、半调控乳糖、半乳糖、阿拉伯糖等其他糖类乳糖、阿拉伯糖等
38、其他糖类代谢有关的酶。代谢有关的酶。第53页，讲稿共145张，创作于星期日第54页，讲稿共145张，创作于星期日n葡萄糖的降解是通过葡萄糖的降解是通过cAMP与与CAP结合起作用。结合起作用。CAP,cataboliteactivatorprotein，由由crp编码编码CRP,catabolitereceptorprotein代谢物激活蛋白（代谢物激活蛋白（CAP）/环腺甘酸受体蛋白（环腺甘酸受体蛋白（CRP）CAP激活转录激活转录?（1）可能直接和）可能直接和RNAPol相互作用；相互作用；（2）作用于）作用于DNA，改变其结构，从而帮助，改变其结构，从而帮助RNAPol结合。结合。第55
39、页，讲稿共145张，创作于星期日CAP结合位点结合位点nCAP为二聚体，为二聚体，45KD，被，被cAMP激活激活n结合位点结合位点22bpI-70-50II-50-40第56页，讲稿共145张，创作于星期日CAP的结合对的结合对DNA构型的影响构型的影响nDNA弯曲弯曲n弯曲点位于弯曲点位于CAP结合位点二重对称的中心结合位点二重对称的中心n弯曲使弯曲使CAP能与启动子上的能与启动子上的RNApol接触接触第57页，讲稿共145张，创作于星期日+转录转录无葡萄糖，无葡萄糖，cAMP浓度高时浓度高时促进转录促进转录有葡萄糖，有葡萄糖，cAMP浓度低时浓度低时不促进转录不促进转录ZYAOPDNA
40、CAPCAPCAPCAPCAPCAPCAP的正调控的正调控第58页，讲稿共145张，创作于星期日当阻遏蛋白封闭转录时，当阻遏蛋白封闭转录时，CAP对该系统不能发挥作用对该系统不能发挥作用如无如无CAP存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操存在，即使没有阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。纵子仍无转录活性。cAMPCAP复合物与启动子区的结复合物与启动子区的结合是转录起始所必需的。合是转录起始所必需的。协调调节协调调节葡葡萄萄糖糖对对lac操操纵纵子子的的阻阻遏遏作作用用称称分分解解代代谢谢阻阻遏遏(catabolicrepression)。单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若有葡萄
41、单纯乳糖存在时，细菌利用乳糖作碳源；若有葡萄糖或葡萄糖糖或葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。第59页，讲稿共145张，创作于星期日ZYAOPDNA调控区调控区CAP结合位点结合位点启动序列启动序列操纵序列操纵序列结构基因结构基因Z：-半乳糖苷酶半乳糖苷酶Y：通透酶通透酶A：乙酰基转移酶：乙酰基转移酶cAMPCAP复合物复合物第60页，讲稿共145张，创作于星期日ThelacOperon:WhenGlucoseIsPresentButNotLactoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRN
42、APol.RepressorRepressorRepressormRNAHeyman,ImconstitutiveComeon,letmethroughNo wayJose!CAP第61页，讲稿共145张，创作于星期日TheLacOperon:WhenGlucoseAndLactoseArePresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNAHeyman,ImconstitutiveCAPLacRepressorRepressorXRNAPol.RNAPol.Great,Icantranscri
43、be!Sometranscriptionoccurs,butataslowrateThislactosehasbentmeoutofshape第62页，讲稿共145张，创作于星期日ThelacOperon:WhenLactoseIsPresentButNotGlucoseRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingRepressorRepressormRNAHeyman,ImconstitutiveCAPcAMPLacRepressorRepressorXThislactosehasbentmeoutofshapeCAPcAMPCAPcAMPB
44、indtomePolymeraseRNAPol.RNAPol.Yipee!第63页，讲稿共145张，创作于星期日TheLacOperon:WhenNeitherLactoseNorGlucoseIsPresentRepressorPromoterLacYLacALacZOperatorCAPBindingCAPcAMPCAPcAMPCAPcAMPBindtomePolymeraseRNAPol.RepressorRepressormRNAHeyman,ImconstitutiveRepressorSTOPRighttherePolymeraseAlright,Imofftotheraces.C
45、omeon,letmethrough!第64页，讲稿共145张，创作于星期日SummaryoflacoperonregulationGlucosecAMPLactoseTranscriptionoflacmRNAHighLowPresentlowrateofexpressionHighLowAbsentessentiallynoneLowHighAbsentessentiallynoneLowHighPresenthighrateofexpression第65页，讲稿共145张，创作于星期日lacoperon的其它问题的其它问题1lacoperon的功能是在的功能是在正负正负两个调控体系的协调
46、作用两个调控体系的协调作用(coordinateregulation)下实现的。下实现的。阻遏蛋白封闭转录时，阻遏蛋白封闭转录时，CAP不发挥作用；不发挥作用；如没有如没有CAP加强转录，即使阻遏蛋白从加强转录，即使阻遏蛋白从P上解聚仍无转录活性上解聚仍无转录活性nCAP组成型合成，所以组成型合成，所以cAMPCAP复合物取决于复合物取决于cAMP含量含量n腺苷酸环化酶位于细胞膜上，其活性与葡萄糖运输的酶有关，腺苷酸环化酶位于细胞膜上，其活性与葡萄糖运输的酶有关，因此因此cAMPCAP调控乳糖、半乳糖、阿拉伯糖等糖类代谢有调控乳糖、半乳糖、阿拉伯糖等糖类代谢有关的酶关的酶n降解物敏感型操纵子：
47、只要有葡萄糖存在，这些操纵子就不降解物敏感型操纵子：只要有葡萄糖存在，这些操纵子就不表达表达第66页，讲稿共145张，创作于星期日2.A基因及其生理功能基因及其生理功能编码编码b-半乳糖苷乙酰基转移酶，使半乳糖苷乙酰化。半乳糖苷乙酰基转移酶，使半乳糖苷乙酰化。该酶不参与乳糖代谢！该酶不参与乳糖代谢！生理意义：在细胞中有许多能被半乳糖苷酶降解的半生理意义：在细胞中有许多能被半乳糖苷酶降解的半乳糖苷类物质，其分解产物不能进一步代谢，积累，乳糖苷类物质，其分解产物不能进一步代谢，积累，抑制细胞生长。半乳糖苷乙酰化后，即无毒抑制细胞生长。半乳糖苷乙酰化后，即无毒.所以所以lacA虽不在乳糖降解中起作用
48、，但可抑制有害物质虽不在乳糖降解中起作用，但可抑制有害物质的积累的积累3.lac基因产物数量基因产物数量，1：0.5：0.2不同酶的数量差异不同酶的数量差异,是由于在翻译水平上的调节是由于在翻译水平上的调节.方式方式有二：有二：核糖体脱离；核糖体脱离；多顺反子的差别性翻译多顺反子的差别性翻译内切酶作用内切酶作用:在在lacmRNA分子内部，分子内部，a基因比基因比z基因基因更易受内切酶作用更易受内切酶作用第67页，讲稿共145张，创作于星期日总结总结-乳糖操纵子的作用机制乳糖操纵子的作用机制1、乳糖操纵子的组成：大肠杆菌乳糖操纵子含、乳糖操纵子的组成：大肠杆菌乳糖操纵子含Z、Y、A三个结构基因
49、，三个结构基因，分别编码半乳糖苷酶、透酶和半乳糖苷乙酰转移酶，此外还有一分别编码半乳糖苷酶、透酶和半乳糖苷乙酰转移酶，此外还有一个操纵序列个操纵序列O，一个启动子，一个启动子P和一个调节基因和一个调节基因I。2、阻遏蛋白的负性调节：没有乳糖存在时，、阻遏蛋白的负性调节：没有乳糖存在时，I基因编码的阻遏蛋白结基因编码的阻遏蛋白结合于操纵序列合于操纵序列O处，乳糖操纵子处于阻遏状态，不能合成分解乳处，乳糖操纵子处于阻遏状态，不能合成分解乳糖的三种酶；有乳糖存在时，乳糖作为诱导物诱导阻遏蛋白变糖的三种酶；有乳糖存在时，乳糖作为诱导物诱导阻遏蛋白变构，不能结合于操纵序列，乳糖操纵子被诱导开放合成分解乳
50、构，不能结合于操纵序列，乳糖操纵子被诱导开放合成分解乳糖的三种酶。所以，乳糖操纵子的这种调控机制为可诱导的负糖的三种酶。所以，乳糖操纵子的这种调控机制为可诱导的负调控。调控。第68页，讲稿共145张，创作于星期日3、CAP的正调节：在启动子上游有的正调节：在启动子上游有CAP结合位点，当大肠杆菌结合位点，当大肠杆菌从以葡萄糖为碳源的环境转变为以乳糖为碳源的环境时，从以葡萄糖为碳源的环境转变为以乳糖为碳源的环境时，cAMP浓度升高，与浓度升高，与CAP结合，使结合，使CAP发生变构，发生变构，CAP结合于乳糖操结合于乳糖操纵子启动序列附近的纵子启动序列附近的CAP结合位点，激活结合位点，激活RN