半乳糖操纵子
科技名词定义
中文名称：半乳糖操纵子
英文名称：gal operon;gal
定义1：在大肠杆菌的基因组中，负责半乳糖分解代谢的操纵子。除了上游的启动子和操纵基因外，与半乳糖利用相关的三个结构基因依次排列：galE(编码半乳糖差向异构酶)、galT(编码半乳糖转移酶)和galK(编码半乳糖激酶)。
应用学科：生物化学与分子生物学（一级学科）；基因表达与调控（二级学科）
定义2：大肠杆菌基因组中控制半乳糖降解为可利用碳源的遗传单位。
应用学科：遗传学（一级学科）；分子遗传学（二级学科）
以上内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布
半乳糖也是 E.coli的一种碳原，它的分解要涉及三种酶的催化：半乳糖激酶（galactokinase，K），半乳糖转移酶（galactose transferase,T）和半乳糖表面异构酶（galactose epimerase ,E,）。它们催化的反应如下：Gal+ATP----->Glu-1-p+ADP+H+ 半乳糖不仅可以作为唯一碳源供细胞生长，而且与之相关的物质--尿苷二磷酸半乳糖（UDPgal）是大肠杆菌细胞壁合成的前体。在没有外源半乳糖的情况下，UDP-gal是通过半乳糖差向异构酶的作用由UDP-葡萄糖合成的，该酶是galE基因的产物。生长过程中的所有时间里细胞必须能够合成差向异构酶。结构特点是：（1）有2个启动子：P1和P2，当有活性的CAP 存在时P1启动，其-10顺序位于-12~-6，称为-10S1，转录的起始点为+1。当CAP缺乏时P2启动子启动，从-5开始转录，其-10顺序位于-17~-11，称做-10S2；（2）gal操纵子无-35顺序；（3）具有2个操纵基因OE和OI，OE在上游，位于CAP位点之内，OI在基因gal内部；无论是O E还是OI高启动子都有一段距离，不直接毗邻。分析gal操纵子P（启动区）-O（操纵区）区的DNA序列发现，该操纵子存在两个相距仅5bp的启动子，可以分别起始mRNA的合成。每个启动子拥有各自的RNA聚合酶结合位点S1和S2。cAMP-CAP对从S1和S2起始转录有不同的作用。从S1起始的转录只有在培养基中无葡萄糖时，才能顺利进行，RNA聚合酶与S1的结合需要半乳糖、CAP和较高浓度的cAMP。从S2起始的转录则完全依赖于葡萄糖，高水平的cAMP-CAP能抑制由这个启动子起始的转录。当有cAMP-CAP时，转录从
S1开始，当无cAMP-CAP时，转录从S2开始。Glu和Gal对Gal操纵子的调节
条件表达
有Glu 有Gal P2启动S2开始转录gal E，组成型表达
无Gal OE和OI相互作用，成环，转录只进行20碱基便停止
无Glu 有Gal P1启动，3个基因转录
无Gal P1不启动
1）．当没有葡萄糖的条件下有Gal存在时，gal R（位于62ˊ）编码的阻遏物失活，CAP结合在-47~23区域，RNA Pol结合在-10S1区，CAP和RNA Pol直接相互作用，使P1顺利转录；当无Gal时Gal R结合在Gal O E上，Gal O E具有回文顺序（TT GTG TAA AC|GATTCCACTAA）供CAP结合。它离启动子有一段距离，当Gal R结合在gal O E上时不大可能像lac操纵子中lac阻遏那样去阻碍RNA Pol的结合，它阻断S1的转录可能的两种方式；或是影响到cAMP-CAP和RNA聚合酶的作用而阻断；或通过干扰cAMP-CAP与DNA的相互作用来阻断。在Glu存在的情况下，cAMP -CAP含量少，当Gal存在，而无Gal R时，P1不能启动而P2启动，RNA聚合酶结合-10 S2顺序上，-10 S2（TATGCTA）和-10 S1（TATGGTT）顺序相似，从S2开始转录gal E而不转录另外的2个基因gal T和gal K。这是由于Gal既可以作为碳源，同时UDP-Gal又是合成细胞壁的重要前体，因此无论Glu是否存在，只要有Gal，gal E总可以得到转录。在Glu存在的情况下，若无Gal存在，Gal R可结合在gal O E和OI上，并相互作用形成环。S2位点阻遏作用和S I的阻遏机制完全不同，在上述条件下，即使有Gal R存在，P2仍不受阻遏开始转录（组成型），但由于OI 上也有Gal R的结合并且成环，故转录只进行20碱基便停止，这个过程如何发生尚不清楚。2）cAMP-CAP的存在对P1可以激活是正调控，而对P2都是抑制，是负调控，其机制还没有搞清楚。3）Gal R这个阻遏物对P1和P2两个启动子都是负调节，但在cAMP-CAP含量少时P2仍可转录，其机制也不清楚。4）P1启动子与RNA Pol的亲和力远远大于P2启动子与RNA Pol的亲和力。这可以解释为什么在没有Glu，而有Gal存在时，P1转录，而P2不转录。可能二者要竞争RNA Pol，而RNA Pol 在细胞中数量是一定的，由于P1的亲和力大大超过P2，所以RNA Pol 几乎都结合到P1启动子上，P2由于得不到RNA Pol故不能启动
三、其他操纵子的调控机制 1．半乳糖操纵子 大肠杆菌半乳糖操纵子(galactose operon)包括3 个结构基因： 异构酶(UDP-galactose-4epimerase,galE)， 半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷转移酶(galactose transferase, galT)， 半乳糖激酶(galactose kinase, galk)。 这3个酶的作用是使半乳糖变成葡萄糖-1-磷酸。 GalR与galE、T、K及操纵区O等离得很远，而galR 产物对galO的作用与lacI-lacO的作用相同。 gal操纵子的特点： ① 它有两个启动子，其mRNA可从两个不同的起始点开始转录； ② 它有两个O区，一个在P区上游-67--53，另一个在结构基因 galE内部。
因为半乳糖的利用效率比葡萄糖低，人们猜想葡萄糖存在时半乳糖操纵子不被诱导，但实际上有葡萄糖存在时，gal操纵子仍可被诱导。现已分离到一些突变株，其中一类突变株能在不含葡萄糖的培养基中高水平合成半乳糖代谢酶类（gal 结构基因高效表达）；而另一类突变株中gal基因的表达完全依赖于葡萄糖，培养基中如无葡萄糖存在，这些细菌的gal基因不表达，不合成半乳糖代谢酶类。分析gal操纵子P-O区的DNA序列发现，该操纵子确实存在两个相距仅5bp 的启动子，可以分别起始mRNA的合成。每个启动子拥有各自的RNA聚合酶结合位点S1和S2。 从S1起始的转录只有在培养基中无葡萄糖时，才能顺利进行，RNA聚合酶与S1的结合需要半乳糖、CAP和较高浓度的cAMP。从S2起始的转录则完全依赖于葡萄糖，高水平的cAMP-CAP能抑制由这个启动子起始的转录。当有cAMP-CAP 时，转录从S1开始，当无cAMP-CAP时，转录从S2开始。 为什么gal操纵子需要两个转录起始位点？ 半乳糖不仅可以作为唯一碳源供细胞生长，而且与之相关的物质--
乳糖操纵子 07生物科学09号李宝青 【摘要】本文主要从操纵子的概念着手，简要介绍关于操纵子的基本结构，结构基因群、启动子、操纵基因、调控基因和终止子的结构和基本功能，并介绍了乳糖对乳糖操纵子的诱导调控机制。 【关键词】乳糖操纵子负性调控 操纵子学说是关于原核基因结构及其表达调控的学说，由法国巴斯德研究所著名科学家的Monod和Jacob在1961年首先提出[1]。他们以对乳糖操纵子的研究，通过大量的试验及分析建立了现在已经被人们广泛接受的乳糖操纵子控制模型[2]。后来人们在大肠杆菌中又陆续发现了色氨酸操纵子、组氨酸操纵子、半乳糖操纵子、阿伯糖操纵子等多种操纵子,从而不断的充实和完善了被誉为生命第三原理的基因调控理论,在这个理论中提出的操纵子概念也被人们普遍接受和证实。 1.乳糖操纵子模型 主要内容有：（1）Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子的mRNA分子所编码；（2）该mRNA分子的启动区（P）[3]位于阻遏基因（I）与操纵区（O）之间，不能单独起始半乳糖苷酶和透过酶基因的高效表达；(3)操纵区是DNA上的一小段序列（仅为26bp），是阻遏物的结合位点；（4）当阻遏物与操纵区相结合时，lac mRNA的转录起始受到抑制；（5）诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，使之不能与操纵区相结合，从而激发lac mRNA 的合成。有人就是说，有阻遏物存在时，操纵区没有被阻遏物占据，所以启动子能够顺利起始mRAN的转录[4]。 2．乳糖操纵子的基本结构 2.1结构基因群 操纵子中被调控的编码蛋白质的基因称为结构基因。一个操纵子中含有1个以上的结构基因,多的可达十几个,各结构基因头尾衔接、串连排列,组成结构基因群。 乳糖操纵子含有Z、Y和A共3个结构基因[5]。Z基因长3510bp,编码含1170个氨基酸、分子量为135000的多肽,以四聚体形式组成有活性的β-半乳糖苷酶,催化乳糖转变为别乳糖（也称异乳糖）,再分解为半乳糖[6]和葡萄糖。Y基因长780bp,编码有260个氨基酸、分子量为30000的半乳糖透过酶,促使环境中的乳糖进人细菌。A基因长825bp,编码有275个氨基酸、分子量为32000的转乙酞基酶,二聚体活性形式催化半乳糖的乙酞化。基因Z 的5’侧具有大肠杆菌核糖体识别结合位点特征的Shan-Dagano(SD)序列[7],因而当乳糖操纵子开放时,核糖体能结合在转录产生的mRNA上。由于Z、Y和A三个基因头尾相接,上一个基因的翻译终止码靠近下一个基因的翻译起始码,因而同一个核糖体能沿此转录生成的多顺反子mRNA移动,在翻译合成了上一个基因编码的蛋白质后、不从mRNA上脱落下来而继续沿mRNA移动合成下一个基因编码的蛋白质,依次合成这个基因群所编码的蛋白质。 2.2启动子[8] 启动子是指能被聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段DNA序列。它含有RNA聚合酶特异性结合和转录起始所需的保守序列位点，启动子本身不被转录。操纵子至少有个启动子,一般在第二个结构基因5‘侧上游,控制整个结构基因一群的转录。 虽然不同的启动子序列有所不同,但比较已经研究过的上百种原核生物的启动子的序列,发现有一些共同的规律,它们一般长40-60bp,含A-T碱基对较多,某些段落是很相似的,这些相似的保守性段落称为共有性序列。 启动子一般可分为识别、结合和起始三个区段。转录起始第一个碱基(通常标记+1)位置为最常见的是A。在-10bp附近有TA TAA T一组共有序列,因为这段共有序列是首先发现的,
14 原核生物基因的表达调控 生物体在其生命活动中，基因的表达严格有序，任何影响到基因开启与关闭、转录和翻译等基因表达程序的调节作用，都属于对基因表达的调控。原核生物是单细胞生物，没有核膜和明显的核结构。它们与周围环境关系密切。在长期进化过程中产生了高 度的适应性和应变能力，这是它们赖以生存的保证。由此可见，原核生物的基因表达既 与自身的遗传结构相适应，又体现了它们对环境的应变能力。 原核生物基因表达调控主要发生在转录水平上，这可以最经济地在基因表达的第一 步实行最有效的控制。原核生物以操纵子为单位的调控系统即体现了这一特点。然而， 转录调控的方式多种多样，如噬菌体基因表达的时序调控；大肠杆菌色氨酸合成代谢的 衰减调控，即是转录调控的明显例证。此外，也有许多翻译水平上的调控机制，如核糖体 蛋白质合成的自身调节；反义RNA或小RNA对mRNA翻译的调控作用等等。有时， 原核生物甚至还能从DNA水平上对基因表达进行调节，如沙门氏杆菌的相变过程，就 是以基因重排的方式调控基因转录。
327 14畅1 大肠杆菌乳糖操纵子的调控机制 14畅1畅1 大肠杆菌对乳糖的利用和酶诱导 早在20世纪初期就发现，酵母细胞只有在某种底物存在时才产生相应的酶。这种由底物诱导而产生酶的效应，称为诱导作用（i nducti on ）。酶诱导普遍存在于细菌中，如大肠杆菌（E 畅co li ）的乳糖利用 系统便是诱导过程的典型例证。大肠杆菌的乳糖代谢需要有β半乳糖苷酶（βgalactosidase ）的催化，该酶能把乳糖水解为半乳糖（gal acto se ）和葡萄糖（g l u co se ）（图141）。如果在大肠杆菌的培养基中所用的碳源不是乳糖，而是其他种类的糖（如葡萄糖），那么细胞内的β半乳糖苷酶的分子极少，平均只有0畅5～5个分子。可是，一旦培养基的碳源完全用乳糖取代葡萄糖，则在2～3m i n 内，细胞中就合成了大量β半乳糖苷酶分子，数量骤增，分子数可达1000～10000个。当从培养基中除去半乳糖，细菌很快就停止合成β半乳糖苷酶。显然，新合成的β半乳糖苷酶是在底物乳糖诱导下产生的。可见，乳糖是合成β半乳糖苷酶的诱导物，而β半乳糖苷酶是可诱导酶（i n duci b l e enzym e ）。这个系统称为可诱导系统（i nduci b l e system ）。 大肠杆菌对乳糖的分解利用，除了需要β半乳糖苷酶外，还需要半乳糖苷透性酶（gal acto si de permease ）。半乳糖苷透性酶是一种膜蛋白，可协助乳糖分子穿膜进入细胞。除上述两种酶外，还产生了硫代半乳糖苷转乙酰基酶（thi ogal acto si de transacetyl ase ）。 14畅1畅2 大肠杆菌乳糖操纵子的负控制 为解释上述现象，1961年法国分子生物学家F 畅Jacob 和J 畅M onod 通过对大肠杆菌乳糖代谢系统的一系列研究，根据其基因的活动和表达的调节提出了操纵子学说（operon hypo thesis ）。实验证明，3种蛋白质：β半乳糖苷酶（Z ）、半乳糖透性酶（Y ）和硫代半乳糖苷转乙酰基酶（A ）的编码基因l a cZ 、l acY 图141 乳糖操纵子的结构 （引自G riffiths 等，2005） 和l acA 依次连接在一起，形成了一个转录单位。操纵子学说主张，该转录单位的转录是从启动子 14畅1 大肠杆菌乳糖操纵子的调控机制
操纵子（operon)：很多功能相关的结构基因串联排列在染色体上，由一个共同的控制区来操纵这些基因的表达，包含这些结构基因和控制区的整个核苷酸序列就称为操纵子。 乳糖操纵子 三个特异性序列： 操纵序列 O (operator): 阻遏蛋白结合位点。 启动子 P (promoter): 位于结构基因的上游。 CAP结合位点：环cAMP受体蛋白(分解代谢物激活蛋白)结合位点。 一个调节基因 lac I：编码阻遏蛋白，能结合于操纵序列位点。 操纵子的组成： ----结构基因(structural gene, SG) ：操纵元中被调控的编码蛋白质的基因 ----启动子(promoter，P)：是指能被RNA聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段DNA序列。 ----操纵基因(operator，O)：是指能被调控蛋白特异性结合的一段DNA 序列。 阻遏物基因(inhibitor,I),产生阻遏物(repressor)。
结构基因 ? 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。 当一个mRNA含有编码一个以上蛋白质的编码信息，而且这些蛋白质都是以独立的多肽被翻译时，这样的mRNA称之多顺反子mRNA。 多顺反子mRNA在细菌中是很普遍的。 多顺反子lac mRNA中的lacZ，lacY，lacA经翻译生成的产物分别生成代谢分解乳糖的三种酶 始终存在着一定的比例关系( Z : Y : A = 5 : 2 : 1 ) lacZ、Y、A基因的转录是由lacI基因指令合成的阻遏蛋白R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。 阻遏蛋白的负调节(negative control of repressor) 无乳糖(no lactose): lac操纵元处于阻遏状态(repression) 有乳糖(presence of lactose)：lac操纵元即可被诱导
半乳糖操纵子 科技名词定义 中文名称：半乳糖操纵子 英文名称：gal operon;gal 定义1：在大肠杆菌的基因组中，负责半乳糖分解代谢的操纵子。除了上游的启动子和操纵基因外，与半乳糖利用相关的三个结构基因依次排列：galE(编码半乳糖差向异构酶)、galT(编码半乳糖转移酶)和galK(编码半乳糖激酶)。 应用学科：生物化学与分子生物学（一级学科）；基因表达与调控（二级学科） 定义2：大肠杆菌基因组中控制半乳糖降解为可利用碳源的遗传单位。 应用学科：遗传学（一级学科）；分子遗传学（二级学科） 以上内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布 半乳糖也是 E.coli的一种碳原，它的分解要涉及三种酶的催化：半乳糖激酶（galactokinase，K），半乳糖转移酶（galactose transferase,T）和半乳糖表面异构酶（galactose epimerase ,E,）。它们催化的反应如下：Gal+ATP----->Glu-1-p+ADP+H+ 半乳糖不仅可以作为唯一碳源供细胞生长，而且与之相关的物质--尿苷二磷酸半乳糖（UDPgal）是大肠杆菌细胞壁合成的前体。在没有外源半乳糖的情况下，UDP-gal是通过半乳糖差向异构酶的作用由UDP-葡萄糖合成的，该酶是galE基因的产物。生长过程中的所有时间里细胞必须能够合成差向异构酶。结构特点是：（1）有2个启动子：P1和P2，当有活性的CAP 存在时P1启动，其-10顺序位于-12~-6，称为-10S1，转录的起始点为+1。当CAP缺乏时P2启动子启动，从-5开始转录，其-10顺序位于-17~-11，称做-10S2；（2）gal操纵子无-35顺序；（3）具有2个操纵基因OE和OI，OE在上游，位于CAP位点之内，OI在基因gal内部；无论是O E还是OI高启动子都有一段距离，不直接毗邻。分析gal操纵子P（启动区）-O（操纵区）区的DNA序列发现，该操纵子存在两个相距仅5bp的启动子，可以分别起始mRNA的合成。每个启动子拥有各自的RNA聚合酶结合位点S1和S2。cAMP-CAP对从S1和S2起始转录有不同的作用。从S1起始的转录只有在培养基中无葡萄糖时，才能顺利进行，RNA聚合酶与S1的结合需要半乳糖、CAP和较高浓度的cAMP。从S2起始的转录则完全依赖于葡萄糖，高水平的cAMP-CAP能抑制由这个启动子起始的转录。当有cAMP-CAP时，转录从
文章编号:1008—9632(2000)05—0010—02 操纵子概念 Ξ 卢龙斗,杜启艳 (河南师范大学生命科学学院,河南新乡 453002) 1961年,法国巴斯德研究所的Monord 和Jacob 提出了乳糖操纵子概念,后来人们在大肠杆菌中又陆续发现了色氨酸操纵子、组氨酸操纵子、半乳糖操纵子、阿拉伯糖操纵子等多种操纵子,从而不断的充实和完善了被誉为生命第三原理的基因调控理论,在这个理论中提出的操纵子概念也被人们普遍接受和证实。在生物学、尤其在遗传学教科书中经常出现操纵子这一专业名词,但由于各种原因,在不同的教科书中对此名词的定义不相同,各个学校教遗传学课程的老师对此概念的理解和解释也不一致,如在每年生物学专业的考研试卷中此概念出现频率较高,涉及到操纵子有几部分组成的填空题中,有的学校划三个空让考生填,显然认为操纵子由三部分组成,有的学校的试卷划四个空,显然认为操纵子由四部分组成,也有的试卷划五个空让考生填。那么操纵子到底有几部分组成呢?标准答案是什么呢?为什么关于操纵子的概念至今仍比较混乱呢?笔者认为很有必要对此重要概念进行论证、澄清和规范。第一种观点认为操纵子包括结构基因和操纵基因两部分。如科学出版社1979年出版的《遗传学词典》中指出:“操纵子由操纵基因以及紧接着的若干结构基因组成的功能单位。”湖南科学技术出版社1989年出版的《遗传学手册》写到:“操纵基因同一个或几个结构基因联合起来,在结构上与机能上形成一个协同活动的整体称为一个操纵子。”青岛出版社1990年出版的《遗传学》教材中指出:“操纵基因与一系列结构基因合起来就成一个操纵子。”人民卫生出版社1983年出版的《医学遗传学》一书中也写到:“在细菌染色体上的邻近的几个基因组成一组,其中一个为操纵基因,另外是一些直接受它控制、能决定多肽形成的结构基因,这样一组基因称为操纵子。”河南科技出版社1986年出版的《常用生物科技词典》中指出:“操纵子是由操纵基因和紧接着的若干结构基因所组成的一个功能单位。”很显然,以上各作者认为操纵子由两部分组成。第二种观点认为操纵子包括结构基因、操纵基因和启动基因。如中国大百科全书出版社1983年出版的《中国大百科全书?生物学分册》写道:“操纵子是细菌的主要的基因调控单位,也就是转录单位。大肠杆菌的乳糖操纵子是第一个被发现的典型的操纵子,它包括依次排列着的启动基因、操纵基因和三个结构基因。”上海辞书出版社1982年出版的《简明生物学辞典》中指出操纵子是:“一系列在作用上密切相关而又排列在一起的结构基因连同前端紧接着的启动区和操纵基因的总称。”河南大学出版社1992年出版的《分子遗传学》一书中指出:“通常把若干或一个结构基因及其紧邻的操纵基因和启动子组成的一个转录功能单位叫操纵子。”高等教育出版社1991年出版的全国通用教材《遗传学》一书中也认为操纵子:“它是由五个紧密连锁但功能不同的DNA 区段组成的,其中三个区段分别携带着三个结构基因,……,在另两个区段上分别携带着操纵基因O ,……,启动子P 。”显然这些作者认为操纵子由三部分构成。第三种观点认为操纵子包括结构基因、操纵基因、启动基因和调节基因。如化学工业出版社1991年出版的《生物工程名词解释》一书中写到:“在染色体上与启动子、操纵基因、结构基因相连接并一律由调节基因加以控制的一系列mRNA 转录单位称为操纵子。”南京大学出 版社1998年出版的《分子遗传学》一书中指出:“一个或几个结构基因与一个调节基因和一个操纵位点组成一个操纵子。”书中又指出:“后来人们发现参与转录起始的启动子也是操纵子的一部分。”高等教育出版社1997年出版的《现代分子生物学》一书中也这样描述:“大肠杆菌乳糖操纵子包括三个结构基因Z 、Y 和A ,以及启动子,控制子和阻遏子等。”显然认为操纵子由四个部分组成,也应包括调节基因。另外还有的学者认为操纵子由结构基因、操纵基因和调节基因组成。如武汉大学出版社1990年出版的《遗传学》教材中写到:“乳糖代谢的操纵子即乳糖操纵子,它包括Z 、Y 和A 三个结构基因以及i 和o 两个调节基因。”也有的书上把终止基因划入操纵子的成分,把调节基因排除在外。如上海科学技术出版社1980年出版的《遗传的结构与功能》一书中对操纵子的描述:“它由三个结构基因LacZ 、Lac Y 、LacA 组成,还有它们自己的启动基因 LacP 、操纵基因LacO 和终止基因t 。”综上所述,可以看到操纵子的概念以及组成比较混乱,造成这种混乱的原因一是由于基因调控理论发展的局限性影响,在不同的年代人们对操纵子的研究水平不同,认识也不同,在早期还没有搞清启动基因的作用时人 1Ξ 收稿日期:2000—04—10 作者简介:卢龙斗(1954— )男,汉族,河南师范大学生命科学院,教授,研究方向:植物细胞遗传学
大理大学课程教案
（理论教学）
课程名称： 课程类型： （ 授课对象： 2
医学分子生物学 ）1、必修；2、选修；3、其它 2016 2016 2016 级 级 级 1班 2班 3班 3 学期 0 ）
药学 专业（本科） 药学 药学 专业（本科） 专业（本科）
授课时间： 计划学时： 任课教师： 所属学院：
2016 学年 至 2017 24 学时（其中：理论 张武 讲师
学年 第 24
，实验：
农学与生物科学学院 细胞与分子生物学教研室 药学与化学学院
课程管理部门（教研室） ： 学生所属学院：
大理大学教务处
课程名称 授课内容 所属章节 教材信息 任课教师 学历 计划学时 授课时间
医学分子生物学
课程类型
专业教育选修课
第二节 乳糖操纵子与负控诱导系统 第七章 原核基因表达调控 朱玉贤，李毅. 现代分子生物学（第四版）. 高等教育出版社， 2012. 张武 研究生 3 课时 周五 13-15 节 职称 学位 授课班级 授课地点 讲师 硕士 2016 级药学 1 班、2 班、3 班 J2A-101
（1）掌握操纵子的概念及其组成； 认知 目标 （2）掌握和理解乳糖操纵子负控诱导系统调控机理； （3）了解乳糖操纵子正转录调控机理。
学 习 目 标 技能 目标
（1）初步培养阅读有关乳糖操纵子的英文材料能力，理解丰富多样的生物科 学知识有助于学生阅读生物专业英文原版资料； （2）能够识别各种模式图中的分子互作。
情感 目标
（1）理解生命是个有序的有机系统； （2）生命之妙,在于调控； （3）生命活动的多样性以及统一性。
授 课 内 容
（1）乳糖操纵子的概念及其组成； （2）乳糖操纵子负控诱导系统调控内容； （3）lac 操纵子中的其他问题 （4）了解乳糖操纵子正转录调控机理。
第1页
操纵子（operon）：指启动基因、操纵基因和一系列紧密连锁的结构基因的总称。转录的功能单位。很多功能上相关的基因前后相连成串，由一个共同的控制区进行转录的控制，包括结构基因以及调节基因的整个DNA序列。主要见于原核生物的转录调控，如乳糖操纵子、阿拉伯糖操纵子、组氨酸操纵子、色氨酸操纵子等 1961 年,法国巴斯德研究所的Monord 和Jacob 提出了乳糖操纵子概念,后来人们在大肠杆菌中又陆续发现了色氨酸操纵子、组氨酸操纵子、半乳糖操纵子、阿拉伯糖操纵子等多种操纵子,从而不断的充实和完善了被誉为生命第三原理的基因调控理论,在这个理论中提出的操纵子概念也被人们普遍接受和证实。 操纵子学说是关于原核基因结构及其表达调控的学说，由法国巴斯德研究所著名科学家的Monod和Jacob在1961年首先提出[1]。他们以对乳糖操纵子的研究，通过大量的试验及分析建立了现在已经被人们广泛接受的乳糖操纵子控制模型[2]。后来人们在大肠杆菌中又陆续发现了色氨酸操纵子、组氨酸操纵子、半乳糖操纵子、阿伯糖操纵子等多种操纵子,从而不断的充实和完善了被誉为生命第三原理的基因调控理论,在这个理论中提出的操纵子概念也被人们普遍接受和证实。 操纵子学说：1961年，法国科学家莫诺（J·L·Monod，1910-1976）与雅可布（F·Jacob）发表“蛋白质合成中的遗传调节机制”一文，提出操纵子学说，开创了基因调控的研究。四年后的1965年，莫诺与雅可布即荣获诺贝尔生理学与医学奖。 莫诺与雅可布最初发现的是大肠杆菌的乳糖操纵子。这是一个十分巧妙的自动控制系统，这个自动控制系统负责调控大肠杆菌的乳糖代谢。 乳糖可作为培养大肠杆菌的能源。大肠杆菌能产生一种酶（叫做“半乳糖苷酶”），能够催化乳糖分解为半乳糖和葡萄糖，以便作进一步的代谢利用。编码半乳糖苷酶的基因（简称z）是一个结构基因（structural gene）。这个结构基因与操纵基因共同组成操纵子。操纵基因受一种叫作阻遏蛋白的蛋白质的调控。当阻遏蛋白结合到操纵基因之上时，乳糖会起诱导作用，它与阻遏蛋白结合，使之从操纵基因上脱落下来。这时，操纵基因开启，相邻的结构基因也表现活性，细菌就能分解并利用乳糖了，这样，乳糖便成了诱导半乳糖苷酶产生的诱导物。 上述内容表明，大肠杆菌的乳糖操纵子是一个十分巧妙的自动控制系统：当培养基中含有充分的乳糖，同时不含葡萄糖时，细菌便会自动产生半乳糖苷酶来分解乳糖，以资利用。当培养基中不含乳糖时，细菌便自动关闭乳糖操纵子，以免浪费物质和能量。 60年代中期，在操纵子中还发现了另一个开关基因，称为启动基因（promoter）。启动基因位于操纵基因之前，二者紧密相邻。启动基因由环腺苷酸（cAMP）启动，而环腺苷酸能被葡萄糖所抑制。这样，葡萄糖便通过抑制环腺苷酸而间接抑制启动基因，使结构基因失活，停止合成半乳糖苷酶。 由此可知，结构基因同时受两个开关基因——操纵基因与启动基因的调控。只有当这两个开关都处于开启状态时，结构基因才能活化。当培养基中同时存在葡萄糖和乳糖时，葡萄糖通过抑制环腺苷酸而间接抑制启动基因，并进而抑制结构基因，使细菌不产生半乳糖苷酶。这种情况下，细菌便会自动优先利用葡萄糖，因为葡萄糖果是比乳糖更好的能源。 1969年，贝克维斯（J·R·Beckwith）从大肠杆菌的DNA中分离出乳糖操纵子，完全证实了雅可布和莫诺的模型。
原核生物基因表达转录水平调控之乳糖操纵子模型 (2012-07-13 00:37:45) 转载▼ 原核生物基因表达在转录水平上的调控最经典学说是操纵子学说。 一、操纵子 细菌基因表达调控的许多原理是在研究E.coli乳糖代谢调节时被发现的。法国巴斯德研究院的Francois Jacob与Jacques Monod于1960年在法国科学院院报(Proceeding of the French Academy of Sciences)上发表了一篇论文,提出乳糖代谢中的两个基因被一靠近它们的遗传因子所调节。这二个基因为β半乳糖苷酶(β-galactosidase)和半乳糖苷透过酶(galactoside penmase)。前者能水解乳糖成为半乳糖和葡萄糖,后者将乳糖运输到细胞之中。在此文中他们首先提出了操纵子(operon)和操纵基因(operator)的概念,他们的操纵子学说(theory of operon)使我们得以从分子水平认识基因表达的调控,是一个划时代的突破,因此他们二人于1965年荣获诺贝尔生理学奖。 Jacob与Monod所提出的关于基因表达调控的操纵子学说可以简述如下:有一个专一的阻遏分子(蛋白质)结合在靠近β半乳糖苷酶基因上面,这段DNA他们称之为操纵基因。由于阻遏分子结合在DNA的操纵基因上,从而阻止了RNA聚合酶合成β半乳糖苷酶的mRNA。此外,他们还指出乳糖为诱导物,当乳糖结合到阻遏分子上时,即阻止阻遏分子与操纵基因的结合。当有乳糖时,阻遏分子即失活,mRNA就可以转录出来。如果去掉乳糖时,阻遏分子又恢复其活力,与操纵基因DNA结合,将乳糖基因关闭。 二、乳糖操纵子 https://www.doczj.com/doc/8211334483.html,/fzswx/knowledge/knowledge01.asp?zsdBianhao=060302 https://www.doczj.com/doc/8211334483.html,/s/blog_4b07ffbc01016v21.html 乳糖操纵子(lac operon)是原核生物中研究得最清楚的一种操纵子。在乳糖操纵子上,除去β半乳糖苷酶(Z)和半乳糖苷透过酶(Y)基因之外,还有一个硫半乳糖苷转乙酰酶(thiogalactoside transacytylase)基因(A)它的生理功能尚不清楚)。这3个基因每个前面都有一翻译信号,引导核糖体结合及蛋白质合成。在底物乳糖不存在时,lac操纵子基因即被阻遏,β半乳糖苷酶只以很少的拷贝存在(每个细胞几个分子)。Jacob
乳糖操纵子 【摘要】本文主要从操纵子的概念着手，简要介绍关于操纵子的基本结构，结构基因群、启动子、操纵基因、调控基因和终止子的结构和基本功能，并介绍了乳糖对乳糖操纵子的诱导调控机制。 【关键词】乳糖操纵子负性调控 操纵子学说是关于原核基因结构及其表达调控的学说，由法国巴斯德研究所著名科学家的Monod和Jacob在1961年首先提出[1]。他们以对乳糖操纵子的研究，通过大量的试验及分析建立了现在已经被人们广泛接受的乳糖操纵子控制模型[2]。后来人们在大肠杆菌中又陆续发现了色氨酸操纵子、组氨酸操纵子、半乳糖操纵子、阿伯糖操纵子等多种操纵子,从而不断的充实和完善了被誉为生命第三原理的基因调控理论,在这个理论中提出的操纵子概念也被人们普遍接受和证实。 1.乳糖操纵子模型 主要内容有：（1）Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子的mRNA分子所编码；（2）该mRNA分子的启动区（P）[3]位于阻遏基因（I）与操纵区（O）之间，不能单独起始半乳糖苷酶和透过酶基因的高效表达；(3)操纵区是DNA上的一小段序列（仅为26bp），是阻遏物的结合位点；（4）当阻遏物与操纵区相结合时，lac mRNA的转录起始受到抑制；（5）诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，使之不能与操纵区相结合，从而激发lac mRNA 的合成。有人就是说，有阻遏物存在时，操纵区没有被阻遏物占据，所以启动子能够顺利起始mRAN的转录[4]。 2．乳糖操纵子的基本结构 2.1结构基因群 操纵子中被调控的编码蛋白质的基因称为结构基因。一个操纵子中含有1个以上的结构基因,多的可达十几个,各结构基因头尾衔接、串连排列,组成结构基因群。 乳糖操纵子含有Z、Y和A共3个结构基因[5]。Z基因长3510bp,编码含1170个氨基酸、分子量为135000的多肽,以四聚体形式组成有活性的β-半乳糖苷酶,催化乳糖转变为别乳糖（也称异乳糖）,再分解为半乳糖[6]和葡萄糖。Y基因长780bp,编码有260个氨基酸、分子量为30000的半乳糖透过酶,促使环境中的乳糖进人细菌。A基因长825bp,编码有275个氨基酸、分子量为32000的转乙酞基酶,二聚体活性形式催化半乳糖的乙酞化。基因Z 的5’侧具有大肠杆菌核糖体识别结合位点特征的Shan-Dagano(SD)序列[7],因而当乳糖操纵子开放时,核糖体能结合在转录产生的mRNA上。由于Z、Y和A三个基因头尾相接,上一个基因的翻译终止码靠近下一个基因的翻译起始码,因而同一个核糖体能沿此转录生成的多顺反子mRNA移动,在翻译合成了上一个基因编码的蛋白质后、不从mRNA上脱落下来而继续沿mRNA移动合成下一个基因编码的蛋白质,依次合成这个基因群所编码的蛋白质。 2.2启动子[8] 启动子是指能被聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段DNA序列。它含有RNA聚合酶特异性结合和转录起始所需的保守序列位点，启动子本身不被转录。操纵子至少有个启动子,一般在第二个结构基因5‘侧上游,控制整个结构基因一群的转录。 虽然不同的启动子序列有所不同,但比较已经研究过的上百种原核生物的启动子的序列,发现有一些共同的规律,它们一般长40-60bp,含A-T碱基对较多,某些段落是很相似的,这些相似的保守性段落称为共有性序列。 启动子一般可分为识别、结合和起始三个区段。转录起始第一个碱基(通常标记+1)位置为最常见的是A。在-10bp附近有TA TAA T一组共有序列,因为这段共有序列是首先发现的,称为Pribnow框[9]。在-35bp处又有TTGACA一组共有序列。不同的启动子序列不同,与聚