乳糖操纵子

参与乳糖分解的一个基因群，由乳糖系统的阻遏物和操纵基因受负的控制，而同时又同步地受支配。1961年雅各布（F．Jacob）和莫诺德（J．Mon－od）根据该系统的研究而提出了著名的操纵子学说。关于大肠杆菌的乳糖系统操纵子，β-半乳糖苷酶，半乳糖苷渗透酶，半乳糖苷转酰酶的结构基因以LacZ（z），LacY（y），LacA（a）的顺序分别排列在染色体上，与z相邻，与y相对的一侧有操纵基因LacO（o），更前面有启动基因LacP（p），操纵子（乳糖操纵子）就是这样构成的。决定乳酸系统阻遏物结构的调节基因LacI（i）处于和p相邻的位置结构和功能阻遏蛋白的活性受到小分子诱导的控制编辑本段结构和功能细菌相关功能的结构基因常连在一起，形成一个基因簇。它们编码同一个代谢途径中的不同的酶。一个基因簇受到同一的调控，一开俱开，一闭俱闭。也就是说它们形成了一个被调控的单位，其它的相关功能的基因也包括在这个调控单位中，例如编码透过酶的基因，虽它的产物不直接参与催化代谢，但它可以使小分子底物转运到细胞中。乳糖分解代谢相关的三个基因，lacZ、Y、A就是很典型的是上述基因簇。它们的产物可催化乳糖的分解，产生葡萄糖和半乳糖。它们具有顺式作用调节元件和与之对应的反式作用调节因子。三个结构基因图的功能是：lacZ编码β-半乳糖苷酶，此酶由500kd的四聚体构成，它可以切断乳糖的半乳糖苷键，而产生半乳糖和葡萄糖lacY编码β一半乳糖苷透性酶，这种酶是一种分子量为30kDd膜结合蛋白，它构成转运系统，将半乳糖苷运入到细胞中。lacA编码β-半乳糖苷乙酰转移酶，其功能只将乙酰-辅酶A上的乙酰基转移到β-半乳糖苷上。无论是lacZ发生突变还是lacY发生突变却可以产生lac-型表型，这种lac-表型的细胞不能利用乳糖。lacZ-突变体中半乳糖苷酶失去活性，直接阻止了乳糖的代谢。lacY-突变体不能从膜上吸取乳糖。这一个完整的调节系统包括结构基因和控制这些基因表达的元件，形成了一个共同的调节单位，这种调节单位就称为操纵子（opron）。操纵子的活性是由调节基因控制的，调节基因的产物可以和操纵子上的顺式作用控制元件相互作用。lacZ、Y、A基因的转录是由lacI基因指令合成的阻遏蛋白所控制。lacI一般和结构基因相毗连，但它本身具有自己的启动子和终止子，成为独立的转录单位。由于lacI的产物是可溶性蛋白，按照理说是无需位于结构基因的附近。它是能够分散到各处或结合到分散的DNA位点上（这是典型的反式-作用调节物。）通过突变的效应是可以将结构基因和调节基因相区别的，结构基因发生突变，细胞中就失去这些基因合成的蛋白。但是调节基因发生突变会影响到它所控制的所有结构基因的表达。调节蛋白的突变的结果可以显示调节的类型。lac基因簇是受到负调节（negativeregulation）。它们的转录可被调节蛋白所关闭。若调节蛋白因突变而失活就会导致结构基因组成型表达。表明调节蛋白的功能是阻止结构基因的表达，因此称这些蛋白为“阻遏”蛋白。乳糖操纵子的阻遏蛋白是由4个亚基（38kDa）组成的四聚体。一个野生型细胞中大约有10个四聚体。调节基因转录成单顺反子的mRNA，它和操纵子的比率与RNA聚合酶和启动子之比是相似的。lacI的产物称为lac阻遏物（lacrepressor），其功能是和lacZ、Y、A基因簇5′端的操纵基因（lacO）,操纵基因位于启动子(lacP)和结构基因（lacZYA）之间。当阻遏物结合在操纵基因上时就阻碍了启动子上的转录起始。lacO从mRNA转录起始点的上游-5处延伸到转录单位+21处。这样它和启动子的末端发生重叠。新近的观点认为阻遏物影响了RNA聚合酶，从操纵基因和启动子二者相关位置来看阻遏物结合在DNA上会阻碍RNA聚合酶转录结构基因。但我们必须注意其它一些操纵子上的操纵基因其位置和乳糖操纵子并不相同，因而阻遏蛋白可以通过多种方式与操纵操纵基因结合阻断转录。顺式作用元件：不转变为其他形式（RNA或蛋白质）而只以DNA形式在原来位置起作用的DNA序列。起作用的过程称顺式作用。反式作用因子：能从合成地点扩散到其它场所对其他基因的表达起调控作用的蛋白质因子（有时为RNA）。起作用的过程称反式作用。操纵基因：是操纵子中的控制基因，在操纵子上一般与启动子相邻，通常处于开放状态，使RNA聚合酶能够通过并作用于启动子启动转录，但当它与调节基因所编码的阻遏蛋白结合时，就从开放状态变为关闭状态，转录不能发生阻遏蛋白：是负调控系统中调节基因编码的调节蛋白，它本身可与辅阻遏物一起结合于操纵基因，阻遏操纵子结构基因的转录组成蛋白（持家蛋白）：这类蛋白质的数量几乎不受外界环境的影响，是细胞生存必须的一类蛋白调节蛋白：是一类特殊蛋白，可以控制和影响一种或者多种基因的表达正调节蛋白：激活蛋白负调节蛋白：阻遏蛋白正调控（positivecontrol）:调控因子通过与启动子元件结合来激活基因的表达。负调控（negativecontrol）:阻抑物与操纵基因结合来阻止基因的表达。2、操纵子是原核生物在分子水平上基因表达调控的单位，由调节基因、启动子、操纵基因和结构基因等序列组成2、乳糖操纵子1961年,F.Jacob&J.Monod提出,此后不断完善。获1965年诺贝尔生理学和医学奖1940年，Monod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，细菌的生长会出现停顿。即产生“二次生长曲线”。1951年，Monod与Jacob合作，发现两对基因：Z基因：与合成β-半乳糖苷酶有关；I基因：决定细胞对诱导物的反应。Szilard：I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。Jacob：结构基因旁有开关基因（操纵基因），阻遏物通过与开关基因的结合，控制结构基因的表达。负调控机制（E.colilac操纵子）是目前研究最详尽的例子无乳糖情况，阻止lacZ,lacY,lacZ结构基因的转录yourutang由以上可见，调节基因编码的阻遏蛋白作为反式作用因子有两个结合位点，一个是与操纵基因（顺式作用元件）结合的位点，另一个是与诱导物的结合位点，改变构象当LacI基因产物阻遏蛋白存在时，lacZYA结构基因关闭当LacI基因产物阻遏蛋白失活时，lacZYA结构基因开启因此E.coli乳糖操纵子具有负调控的表达方式在大多数情况下，细菌总是利用最容易利用的葡萄糖作为碳源，因此这些操纵子是关闭的，只有当条件发生改变，葡萄糖缺乏而必须利用乳糖时，操纵子开启，基因被诱导表达此反应为阻遏蛋白有活性，为可诱导的负调控降解物对基因活性的调节细菌葡萄糖为碳源抑制腺苷酸环化酶cAMP↓无法形成CAP-cAMP转录不能进行葡萄糖↓cAMP↑CAP-cAMP↑乳糖操纵子表达正调节物质称为葡萄糖效应或降解物抑制作用(二)负调控系统—转录水平的调控机制调节基因编码的调节蛋白是阻遏蛋白1、可诱导的负调控系统其调节基因编码的阻遏蛋白与操纵基因结合，可阻止操纵子结构基因的转录，但有诱导物存在时，可与阻遏蛋白结合从而解除转录抑制3、负调控系统的共同特点一个阻遏蛋白或与DNA结合，阻止RNA聚合酶启动转录，或与mRNA结合阻止核糖体启动翻译mRNA阻遏蛋白不能与O结合，解除转录抑制阻止转录O区P区结构基因调节基因（1）（2）2、可阻遏的负调控系统调节基因编码的阻遏蛋白并不影响结构基因转录的活性，但它与辅阻遏物结合后，抑制操纵子结构基因的转录OP结构基因调节基因mRNAtrp阻止转录Trp操纵子