乳糖操纵子lacoperon课件

操纵子是原核生物转录调控的主要形式

操纵子：是基因表达的协调单位，由启动子、操纵基因及其所控制的一组功能上相关的结构基因所组成。操纵基因受调节基因产物的控制。原核生物调控原核生物——操纵子(operon)结构基因启动子操纵基因调节基因(promoter)(operator)(1)结构基因:产生mRNA并作为模板合成蛋白质(2)调节基因:产生阻遏蛋白(或激活蛋白)与操纵基因结合,阻碍(或开启)结构基因表达操纵子(operon)的结构与功能InhibitorgenePS1S2S3启动子结构基因1，2，3...O操纵基因PromoterOperatorgeneStructuregene调控区结构基因操纵子表达阻遏蛋白

结合RNA聚合酶结合阻遏蛋白表达功能蛋白?I阻遏物基因开始转录TTGACAAACTGT-35区(Pribnowbox)TATAATPuATATTAPy-10区1-30-5010-10-40-205335(3)原核生物启动子保守序列σ识别位点(recognitionsite)55RNA聚合酶结合部位结构基因33++(4)操纵基因

——阻遏蛋白(repressor)的结合位点当操纵序列结合有阻遏蛋白时，会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合，或是RNA聚合酶不能沿DNA向前移动，阻碍转录。启动序列编码序列操纵序列pol阻遏蛋白操纵子的调控方式总结启动子结构基因1，2，3...操纵基因调控区结构基因操纵子诱导型阻遏型变构变构阻遏蛋白变构失活阻遏蛋白变构激活无活性的阻遏蛋白辅阻遏物阻遏物基因两种方式阻遏蛋白诱导物乳糖操纵子为代表色氨酸操纵子为代表一.乳糖操纵子（一）乳糖操纵子的结构与功能（二）乳糖操纵子的负调控和正调控（三）乳糖操纵子调控区的突变效应背景介绍：大肠杆菌通常利用葡萄糖作为碳源，通常情况下环境中乳糖极少，降解乳糖的酶不被合成，其实质是乳糖降解酶基因不表达。1961年由莫诺（Monod,J.法)和雅各布(Jacob,F.法)提出，用来阐述大肠杆菌乳糖代谢中基因表达的调控机制。FrancoisJacob(1920-)JacqucesMonod(1910-67)获1965年诺奖Z编码β-半乳糖苷酶：将乳糖水解成葡萄糖和半乳糖Y编码β-半乳糖苷透过酶：使外界的β-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β-半乳糖苷乙酰基转移酶：乙酰辅酶A上的乙酰基转到β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。乳糖操纵子学说的主要内容①Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子的mRNA分子所编码②这个mRNA分子的启动子紧接着O区，而位于I与O之间的启动子区（P）。

③当阻遏物与操纵基因结合时，lacmRNA的转录起始受到抑制。④诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，使之不能与操纵基因结合，从而激发lacmRNA的合成。当有诱导物存在时，操纵基因区没有被阻遏物占据，所以启动子能够顺利起始mRNA的合成。大肠杆菌乳糖酶诱导合成---调节基因产物对转录的调控阻遏蛋白乳糖酶基因操纵基因结构基因半乳糖苷酶半乳糖苷转乙酰酶半乳糖苷透性酶操纵基因——基因合成的开关调节基因关——阻遏蛋白阻挡操纵基因，结构基因不表达诱导物（乳糖）开——诱导物阻止阻遏蛋白功能发挥。mRNA酶蛋白（一）乳糖操纵子(lacoperon)的结构与功能调控区CAP结合位点启动序列操纵序列结构基因Z：β-半乳糖苷酶Y：透酶A：乙酰基转移酶ZYAOPDNA酶的诱导——lac体系受调控的证据

乳糖在透酶催化、转运进入细胞，再经-半乳糖苷酶催化，转变成别乳糖。别乳糖是lac的诱导物安慰诱导物：

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-β–D-硫代半乳糖苷）；TMG（巯甲基半乳糖苷）；ONPG（O-硝基半乳糖苷）。细菌的二次生长曲线(葡萄糖效应,代谢物阻遏效应)CAP结合位点RNA聚合酶进入位点Pi启动基因结构基因操纵基因启动基因调节基因-半乳糖苷酶透性酶乙酰基转移酶PiIPOZYACAP的正调节作用+cAMPcAMP（二）乳糖操纵子的正、负调控cataboliteactivatorproteinCRP:cAMPreceptorprotein++++转录无葡萄糖，cAMP浓度高时有葡萄糖，cAMP浓度低时（2）CAP的正性调节ZYAOPDNACAPCAPCAPCAPCAPCAP协调调节※当阻遏蛋白封闭转录时，CAP不发挥作用；※如无CAP存在，即使无阻遏蛋白与操纵序列结合，操纵子仍无转录活性。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/乳糖共同存在时，细菌首先利用葡萄糖。葡萄糖对lac操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏(catabolicrepression)。

mRNA低乳糖时高乳糖时葡萄糖低cAMP浓度高葡萄糖高cAMP浓度低RNA-polOOOO乳糖操纵子的工作原理总结：1.负调控方式PZYA启动子分解代谢乳糖的三种酶基因O操纵基因调控区结构基因阻遏蛋白乳糖变构阻遏蛋白变构失活阻遏蛋白乳糖操纵子（LacOperon）I阻遏物基因阻遏蛋白阻遏状态Z:β-半乳糖苷酶Y:乳糖穿透酶A:转乙酰基酶诱导状态表达不能表达乳糖操纵子的工作原理总结:2.正调控PZYA启动子分解代谢乳糖的三种酶基因O操纵基因调控区结构基因

CAP变构CAP变构激活cAMPCAP乳糖操纵子

CAP位点

(Catabolite

ActivatorProteinsite)CAPCAP:代谢物激活蛋白已经分离在有诱导物或没有诱导物的情况下都能产生lacmRNA的突变体，这种失去调节能力的突变体称为永久型突变体，为分两类：I型和O型。

I型：野生型为I+，突变型为I-

O型：野生型为O+，突变型为Oc。(三)乳糖操纵子调控区的突变效应I+→I-或O+→Oc后，Z、Y、A结构基因均表现为永久表达，所以I基因被称为调节基因(regulatorygene)。研究发现，I基因是一个产生阻遏物的调节基因，其产物使体系关闭。I-突变体由于不能产生阻遏物，使细胞成为lac永久表达型。I-/I+局部二倍体由于带有一个正常阻遏物，使细胞中的lac仍然被抑制。组成型突变：lacOc

组成型突变：

lacI-二色氨酸操纵子(一)色氨酸操纵子的结构与功能(二)色氨酸操纵子的阻遏调节系统（三）色氨酸操纵子的弱化机制(一)色氨酸操纵子的结构与功能

1．色氨酸操纵子模型：

由雅各布（JacobF.）和莫诺（MonodJ.）提出，具有合成代谢途径典型的操纵子模型。

操纵子：包括色氨酸合成有关的5种酶的结构基因；

大量色氨酸时：大肠杆菌5种酶的转录同时受到抑制；

色氨酸不足时：这５种酶的基因开始转录；

色氨酸：作为阻遏物而不是诱导物参与调控结构基因的转录。

∴

trp操纵子是一个典型的可阻遏操纵子模型(repressibleoperon)。色氨酸操纵子模型结构：

5种结构基因：trpE、D、C、B、A；

调控结构：启动子、操纵子、前导序列、弱化子；

阻遏物trpR基因：与trp操纵子相距较远；特点:

(1)trpR和trpABCDE不连锁；(2)操纵基因在启动子内；(3)有衰减子(attenuator)/弱化子；(4)启动子和结构基因不直接相连，二者被前导序列(Leader)所隔开。2.色氨酸操纵子的负调控：

⑴.阻遏调控：

trpR基因编码无辅基阻遏物与色氨酸结合形成有活性的色氨酸阻遏物与操作子结合阻止转录；

色氨酸不足：阻遏物三维空间结构发生变化，不能与操作子结合，操纵元开始转录；

色氨酸浓度升高：色氨酸与阻遏物结合，空间结构发生变化，可与操作子结合，阻止转录。阻遏蛋白操纵基因结构基因调节基因mRNA酶蛋白阻遏蛋白不能与操纵基因结合，所以结构基因表达。酶代谢产物一旦大量积累阻遏蛋白被产物激活，结构基因不表达。Trp操纵子----产物阻遏常规酶的合成TrpTrp高时Trp低时mRNAOPtrpR调节区结构基因

RNA聚合酶

RNA聚合酶?二色氨酸操纵子的阻遏调节系统色氨酸操纵子⑵.弱化子调控：

当有色氨酸存在而trp操纵子受抑制时，仍有一段前导序列发生转录，可能存在另一种的机制来抑制trp操纵元的转录。

色氨酸高浓度存在时，转录的前导序列162bp长，其中有一28bp的弱化子区域；形成发夹结构，为内部终止子，RNA酶从DNA上脱落，不能转录；

色氨酸低浓度或不存在时，RNA聚合酶能通过弱化子区域，转录完整的多顺反子mRNA序列；（三）色氨酸操纵子的弱化机制前导序列可翻译出一段14个氨基酸的短肽，在该短肽的第10、11位置上是两个色氨酸密码子；两个密码子之后是一段mRNA序列，该序列可分为四个区段，区段间可互补配对，形成不同的二级结构。原核生物为边转录边翻译，前导序列中核糖体位置决定形成哪种二级结构,从而决定弱化子是否可形成终止信号。①.当有色氨酸时，完整翻译短肽核糖体停留在终止密码子处，邻近区段2位置阻碍了2,3配对使3,4区段配对形成发夹结构终止子RNA酶在弱化子处终止，不能向前移动。

②.如缺乏色氨酸，核糖体到达色氨酸密码子时由于没有色氨酰tRNA的供应停留在该密码子位置，位于区段1使区段2与区段3配对区段4无对应序列配对呈单链状态RNA聚合酶通过弱化子，继续向前移动，转录出完整的多顺反子序列。UUUU……UUUU……调节区结构基因trpROP前导序列衰减子区域UUUU……前导mRNA1234衰减子结构

第10、11密码子为trp密码子终止密码子14aa前导肽编码区:

包含序列1形成发夹结构能力强弱：序列1/2>序列2/3>序列3/4

trp密码子

UUUU……UUUU……34UUUU3’34核糖体前导肽前导mRNA1.当色氨酸浓度高时转录衰减机制125’

trp密码子衰减子结构就是终止子可使转录前导DNAUUUU3’

RNA聚合酶终止UUUU……342423UUUU……核糖体前导肽前导mRNA15’

trp密码子

结构基因前导DNA

RNA聚合酶2.当色氨酸浓度低时Trp合成酶系相关结构基因被转录序列3、4不能形成衰减子结构

细菌通过弱化作用弥补阻遏作用的不足，因为阻遏作用只能使转录不起始，对于已经起始的转录，只能通过弱化作用使之中途停下来。阻遏作用的信号是细胞内色氨酸的多少；弱化作用的信号则是细胞内载有色氨酸的tRNA的多少。它通过前导肽的翻译来控制转录的进行，在细菌细胞内这两种作用相辅相成，体现着生物体内周密的调控作用。在E.coli，不同类型的启动子需要不同类型的σ因子热休克基因（heatshockgenes）σ32替换σ70

通过亚基替换的调控-σ因子的替代可以控制转录起始枯草杆菌（B.subtilis）中σ因子用于转录起始的调节大部分σ因子转换的例子都发生在芽孢形成（sporulation）中。当一种新的σ因子被激活，原来的σ因子被取代，通过σ因子转移的方式打开或关闭基因的表达。

枯草杆菌（B.subtilis）中σ因子的替换芽孢形成过程中，