第七章 乳糖操纵子PPT参考课件
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典型乳糖操纵子的诱导原理.ppt
乳糖操纵子是细菌中一组功能相关的基因，它们共同控制乳糖的代谢过程。乳糖操纵子的基本结构包括结构基因、启动子、操纵基因和阻遏物基因。结构基因是负责编码代谢乳糖所需的酶，包括β-半乳糖苷酶、β-半乳糖苷透过酶和β-半乳糖苷乙酰基转移酶。启动子是位于结构基因上游的一段DNA序列，能被RNA聚合酶识别并结合，从而启动基因的转录过程。操纵基因则是位于启动子和结构基因之间的一பைடு நூலகம்DNA序列，能被阻遏蛋白特异性结合，从而调控基因的转录。阻遏物基因则负责编码阻遏蛋白，这些蛋白能结合到操纵基因上，阻止RNA聚合酶的转录，从而实现对基因表达的负调控。此外，乳糖操纵子还包括CAP结合位点，这是环cAMP受体蛋白的结合位点，与乳糖操纵子的诱导表达有关。乳糖操纵子的这些组成部分共同协作，实现了对乳糖代谢的精细调控。
乳糖操纵子概述课件
02
它能够根据环境中乳糖的存在与 合成。
结构
乳糖操纵子包括三个结构基因Z、Y、A，分别编码半乳糖苷酶、半乳糖 苷透酶和半乳糖苷乙酰转移酶。
调节基因I编码一种阻遏蛋白，当阻遏蛋白与乳糖或其类似物结合时，会 阻止RNA聚合酶对结构基因的转录。
药物研发
乳糖操纵子的调控机制为药物研发提供了新的思路，通过研究乳糖操纵子相关 基因的功能和调控机制，有助于发现新的药物靶点，为开发新型药物提供支持。
05
乳糖操纵子的未来展望
乳糖操纵子在生物工程领域的发展前景
生物制药
利用乳糖操纵子构建高表达的基 因工程菌，提高生物制药的产量
和效率。
生物能源
通过优化乳糖操纵子提高微生物对 生物燃料的产量和效率，降低生产 成本。
技术改进
随着基因敲除技术的不断改进，科学 家们能够更精确地研究乳糖操纵子中 单个基因的功能，为深入了解乳糖操 纵子的调控机制提供了有力支持。
乳糖操纵子在基因表达调控中的研究进展
转录水平调控
乳糖操纵子在基因表达调控中发挥着重要作用，通过转录水 平调控，可以调节乳糖操纵子相关基因的表达，进而影响细 菌对乳糖的代谢。
生物肥料
利用乳糖操纵子改良微生物，生产 出具有高效固氮能力的生物肥料。
乳糖操纵子在基因表达调控研究中的发展前景
01
02
03
基因表达机制研究
深入探究乳糖操纵子的工 作机制，为基因表达调控 研究提供更多理论支持。
基因治疗
利用乳糖操纵子实现对特 定基因的表达调控，为基 因治疗提供新的手段。
合成生物学
在合成生物学领域，乳糖 操纵子作为基因表达调控 元件，为构建人工生物系 统提供有力工具。
当环境中没有乳糖存在时，阻遏蛋白会与乳糖操纵子结合，抑制结构基 因的表达。当环境中存在乳糖时，乳糖会与阻遏蛋白结合，使其从操纵 子上解离，从而允许结构基因的表达。
它能够根据环境中乳糖的存在与 合成。
结构
乳糖操纵子包括三个结构基因Z、Y、A，分别编码半乳糖苷酶、半乳糖 苷透酶和半乳糖苷乙酰转移酶。
调节基因I编码一种阻遏蛋白，当阻遏蛋白与乳糖或其类似物结合时，会 阻止RNA聚合酶对结构基因的转录。
药物研发
乳糖操纵子的调控机制为药物研发提供了新的思路，通过研究乳糖操纵子相关 基因的功能和调控机制，有助于发现新的药物靶点，为开发新型药物提供支持。
05
乳糖操纵子的未来展望
乳糖操纵子在生物工程领域的发展前景
生物制药
利用乳糖操纵子构建高表达的基 因工程菌，提高生物制药的产量
和效率。
生物能源
通过优化乳糖操纵子提高微生物对 生物燃料的产量和效率，降低生产 成本。
技术改进
随着基因敲除技术的不断改进，科学 家们能够更精确地研究乳糖操纵子中 单个基因的功能，为深入了解乳糖操 纵子的调控机制提供了有力支持。
乳糖操纵子在基因表达调控中的研究进展
转录水平调控
乳糖操纵子在基因表达调控中发挥着重要作用，通过转录水 平调控，可以调节乳糖操纵子相关基因的表达，进而影响细 菌对乳糖的代谢。
生物肥料
利用乳糖操纵子改良微生物，生产 出具有高效固氮能力的生物肥料。
乳糖操纵子在基因表达调控研究中的发展前景
01
02
03
基因表达机制研究
深入探究乳糖操纵子的工 作机制，为基因表达调控 研究提供更多理论支持。
基因治疗
利用乳糖操纵子实现对特 定基因的表达调控，为基 因治疗提供新的手段。
合成生物学
在合成生物学领域，乳糖 操纵子作为基因表达调控 元件，为构建人工生物系 统提供有力工具。
当环境中没有乳糖存在时，阻遏蛋白会与乳糖操纵子结合，抑制结构基 因的表达。当环境中存在乳糖时，乳糖会与阻遏蛋白结合，使其从操纵 子上解离，从而允许结构基因的表达。
典型乳糖操纵子的诱导原理
10
乳糖操纵子的结构和功能
▪ 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
ATP → →cAMP → →5’AMP
CRP（非活性状态） → →CAP（活性状态）
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23
乳糖操纵子的CAP正调控
（Positive Control of CAP）
+ + + + 转录
DNA
CAP P O Z Y A
CAP CAP CAP CAP 无葡萄糖，cAMP浓度高时 促进转录
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。
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7
乳糖操纵子的结构和功能
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
（Positive Control of CAP）
▪ CAP(catabolite activator protein)
----分解代谢基因激活蛋白
又称为 CRP (cAMP receptor protein),
lac operon高水平转录必需的一个激活蛋白。
▪ CAP(同二聚体),含
DNA结合区 →以二聚体的方式与特定的DNA 序列结合
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2
乳糖操纵子(精制医学)71页PPT
39、勿问成功的秘诀为何，且尽全力做你应该做的事吧。——美华纳
40、学而不思则罔，思而不学则殆。——孔子
ห้องสมุดไป่ตู้
乳糖操纵子（精制医学）
1、合法而稳定的权力在使用得当时很 少遇到 抵抗。 ——塞 ·约翰 逊 2、权力会使人渐渐失去温厚善良的美 德。— —伯克
3、最大限度地行使权力总是令人反感 ；权力 不易确 定之处 始终存 在着危 险。— —塞·约翰逊 4、权力会奴化一切。——塔西佗
5、虽然权力是一头固执的熊，可是金 子可以 拉着它 的鼻子 走。— —莎士 比
谢谢！
36、自己的鞋子，自己知道紧在哪里。——西班牙
37、我们唯一不会改正的缺点是软弱。——拉罗什福科
xiexie! 38、我这个人走得很慢，但是我从不后退。——亚伯拉罕·林肯
乳糖操纵子 ppt课件
➢ 基因表达（gene expression）:基因转录及翻译 的过程，或基因指导下RNA和蛋白质的合成过程。 rRNA、tRNA编码基因转录合成RNA的过程也属于
基因表达
➢ 组成性表达(constitutive expression)：不易受 环境变化而变化的一类基因的表达。
➢ 基因的差别表达(differential gene expression): 在个体发育中，某些基因在特定条件下才进行表达，
结合操纵基因的。当诱导物在相应位点结合时，
它改变了阻遏蛋白的构象，干扰了另一位点的 活性。这种类型的调控叫变构调控
2020/12/2
20
多亚基蛋白具有特殊的遗传特性
• 活性抑制物是有4个相同的亚基组成的四聚体
• 当野生型和突变型亚基都存在时，一个
突变
型的亚基可以导致整个四聚体的失活，即使另外三
个亚基都是野生型的（即显性负效应）。
2020/12/2
11
➢ 负转录调控：调节基因的产物是阻遏蛋白（repressor），起
着阻止结构基因转录的作用。
负控诱导：阻遏蛋白与效应物（诱导物）结合时，阻遏蛋白无
活性, 不与调控区（顺式作用元件）结合，结构基因转录。
负控阻遏：阻遏蛋白与效应物（辅阻遏物）结合时，阻遏蛋白
有活性，与调控区（顺式作用元件）结合，结构基因不转录。
Activat or
protein Not bound
to DNA
Not bound to DNA
Repressor protein
Lifted off operator site
Bound to operator site
RNA polymeras
e
Keeps falling off promoter
基因表达
➢ 组成性表达(constitutive expression)：不易受 环境变化而变化的一类基因的表达。
➢ 基因的差别表达(differential gene expression): 在个体发育中，某些基因在特定条件下才进行表达，
结合操纵基因的。当诱导物在相应位点结合时，
它改变了阻遏蛋白的构象，干扰了另一位点的 活性。这种类型的调控叫变构调控
2020/12/2
20
多亚基蛋白具有特殊的遗传特性
• 活性抑制物是有4个相同的亚基组成的四聚体
• 当野生型和突变型亚基都存在时，一个
突变
型的亚基可以导致整个四聚体的失活，即使另外三
个亚基都是野生型的（即显性负效应）。
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➢ 负转录调控：调节基因的产物是阻遏蛋白（repressor），起
着阻止结构基因转录的作用。
负控诱导：阻遏蛋白与效应物（诱导物）结合时，阻遏蛋白无
活性, 不与调控区（顺式作用元件）结合，结构基因转录。
负控阻遏：阻遏蛋白与效应物（辅阻遏物）结合时，阻遏蛋白
有活性，与调控区（顺式作用元件）结合，结构基因不转录。
Activat or
protein Not bound
to DNA
Not bound to DNA
Repressor protein
Lifted off operator site
Bound to operator site
RNA polymeras
e
Keeps falling off promoter
《乳糖操纵子》课件
乳糖Байду номын сангаас纵子的作用
乳糖操纵子可以作用于多种生物体，包括微生物、植物和动物。它以不同的 方式干预乳糖代谢，从而产生多种实用效果。
乳糖操纵子的应用场景广泛，涵盖了农业、生物技术和医学研究等领域。它 为科学家和工程师提供了探索和创新的空间。
乳糖操纵子的应用
乳糖操纵子在农业领域具有重要应用价值，例如优化奶牛饲料，提高乳制品 生产效率和质量。
在生物技术领域中，乳糖操纵子被广泛应用于基因工程和合成生物学等研究， 为科学家开创了新的实验和创新方法。
此外，乳糖操纵子还在医学研究中发挥着重要作用，为疾病治疗和新药开发 提供了新的思路和策略。
乳糖操纵子的风险
乳糖操纵子的应用可能存在一些风险因素，例如基因突变引起的不可控制的结果和引发生物多样性问题。 为了规避这些风险，科学家和工程师需要加强研究和监管，确保乳糖操纵子的安全性和可持续性。 未来，乳糖操纵子的发展趋势包括更精准的设计和更高效的应用，以更好地满足各个领域的需求。
总结
通过本次课程，我们学习了乳糖操纵子的定义、作用、应用和相关风险。
乳糖操纵子在生物技术领域中具有重要性，并且在未来可能有更广阔的应用 前景。
对于进一步学习乳糖操纵子的人士，建议深入研究其机理和应用案例，以便 更好地利用这一强大的工具。
《乳糖操纵子》PPT课件
欢迎来到《乳糖操纵子》PPT课件。在本次课程中，我们将探讨乳糖操纵子的 定义、作用、应用以及相关风险。
什么是乳糖操纵子
乳糖操纵子是一种在生物技术领域中应用广泛的工具。它可以通过操纵乳糖相关的基因和代谢途径，实现对生 物体的控制和改造。 乳糖操纵子的发现历程经历了多年的研究和实践，人们不断探索其作用原理，以便更好地利用它的潜力。
典型乳糖操纵子的诱导原理ppt课件
▪ 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，能精选结PP合T课件于操纵序列位点。
9
乳糖操纵子的结构和功能
▪ CAP(同二聚体),含
DNA结合区 →以二聚体的方式与特定的DNA 序列结合
cAMP结合区→与cAMP特异结合，并发生空
间构象的变化,形成cAMP-CAP复合物（有活性）
精选PPT课件
22
乳糖操纵子的CAP正调控
（Positive Control of CAP）
当CAP与CAP结合位点这段序列结合时， 可激活RNA转录酶活性，使之提高50X
out of shape
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16
乳糖操纵子的调控机理
▪
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▪ (allolactose)
乳糖操纵子诱导物
导别 物乳
糖
是 诱
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18
为什么选用IPTG作诱导物？
▪ 能诱导酶的合，但又不被分解的分子,称为安慰 诱导物（gratuitous inducer）。
▪ 由于乳糖虽可诱导酶的合成，但又随之分解，产 生很多复杂的动力学问题，因此人们常用安慰诱 导物来进行各种实验。
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。
乳糖操纵子与负控诱导系统(课堂PPT)
乳糖操纵子及负控诱导系统
制 作：王 庆 容
.
1
一.结构
二.负控诱导模型
三. 影响因子
四.乳糖操纵子结构基因表达的条件
五. 结构基因转录的调控方式
六. lac操纵子中的其他问题
七.小结
.
2
调节基因 启动基因 操纵基因
I
P
O
lacZ
结构基因
lacY
lacA
P
O
阻遏蛋白 结合部位
RNA聚合酶结合部位
大肠杆菌乳糖操. 纵子结构
.
5
四. 乳糖操纵子结构基因表达的条件
1.CRP结合位点 : CRP与cAMP结合，使 RNA聚合酶识别-35和-10区；
2.启动子识别 :RNA聚合酶识别启动子序列； 3.操纵基因 :阻遏蛋白结合乳糖或类似物
.
6
五.结构基因转录的调控方式 1.负调控：阻遏蛋白对乳糖操纵子的负调控 2.正调控： cAMP-CRP是一个正调节因子
lac Y
lac A
NO TRANSCRIPTION
RNA polymerase
RNA polymerase is blocked from the promoter
.
10
.
11
.
12
.
13
.
14
.
15
乳糖操纵子结构基因表达的条件2
（3）无cAMP，但有诱导物时
I
CRP位点 P
O
结构基因
六.lac操纵子中的其他问题 1.A基因及其生理功能 c基因产物数量上的比较
.
7
lac操纵子及各组分详图
组成 lac I
p o lac Z
制 作：王 庆 容
.
1
一.结构
二.负控诱导模型
三. 影响因子
四.乳糖操纵子结构基因表达的条件
五. 结构基因转录的调控方式
六. lac操纵子中的其他问题
七.小结
.
2
调节基因 启动基因 操纵基因
I
P
O
lacZ
结构基因
lacY
lacA
P
O
阻遏蛋白 结合部位
RNA聚合酶结合部位
大肠杆菌乳糖操. 纵子结构
.
5
四. 乳糖操纵子结构基因表达的条件
1.CRP结合位点 : CRP与cAMP结合，使 RNA聚合酶识别-35和-10区；
2.启动子识别 :RNA聚合酶识别启动子序列； 3.操纵基因 :阻遏蛋白结合乳糖或类似物
.
6
五.结构基因转录的调控方式 1.负调控：阻遏蛋白对乳糖操纵子的负调控 2.正调控： cAMP-CRP是一个正调节因子
lac Y
lac A
NO TRANSCRIPTION
RNA polymerase
RNA polymerase is blocked from the promoter
.
10
.
11
.
12
.
13
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14
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乳糖操纵子结构基因表达的条件2
（3）无cAMP，但有诱导物时
I
CRP位点 P
O
结构基因
六.lac操纵子中的其他问题 1.A基因及其生理功能 c基因产物数量上的比较
.
7
lac操纵子及各组分详图
组成 lac I
p o lac Z
典型乳糖操纵子的诱导原理
(coordinate regulation)
▪ 由于Plac是弱启动子，单纯因乳糖的存在 发生去阻遏使lac操纵元转录开放，还不能 使细菌很好利用乳糖，必需同时有CAP来 加强转录活性，细菌才能合成足够的酶来 利用乳糖。
▪ 关键条件：lac操纵元的强诱导既需要有乳
糖的存在又需要没有葡萄糖可供利用。
cAMP结合区→与cAMP特异结合，并发生空
间构象的变化,形成cAMP-CAP复合物（有活性）
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22
乳糖操纵子的CAP正调控
（Positive Control of CAP）
当CAP与CAP结合位点这段序列结合时， 可激活RNA转录酶活性，使之提高50X
葡萄糖→ → → → →降解产物
命过程必需的、必不可少的，这 类基因通常被称为持家基因 （housekeeping gene）。
精选完整ppt课件
4
诱导和阻遏表达
➢ 诱导（induction）：在特定的环境信号刺激下，相应基因被激 活，从而使基因的表达产物增加。这类基因称为可诱导基因。
➢ 可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为诱导 (induction)。 乳糖 → 利用乳糖的三种酶表达
CAP
有葡萄糖，cAMP浓度低时
精选不完整促ppt课进件转录
24
乳糖操纵子的CAP正调控
（Positive Control of CAP）
▪ 葡萄糖效应：当细菌在含有葡萄糖套和乳糖的培养基中生 长时，通常优先利用葡萄糖。只有当葡萄糖消耗完，经过 一段停滞期，在乳糖的诱导下半乳糖苷酶开始合成，细菌 才能充分利用乳糖。
▪ 始终存在着一定的比例关精选系完整( pZpt课:件Y : A = 5 : 2 : 1 )
▪ 由于Plac是弱启动子，单纯因乳糖的存在 发生去阻遏使lac操纵元转录开放，还不能 使细菌很好利用乳糖，必需同时有CAP来 加强转录活性，细菌才能合成足够的酶来 利用乳糖。
▪ 关键条件：lac操纵元的强诱导既需要有乳
糖的存在又需要没有葡萄糖可供利用。
cAMP结合区→与cAMP特异结合，并发生空
间构象的变化,形成cAMP-CAP复合物（有活性）
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22
乳糖操纵子的CAP正调控
（Positive Control of CAP）
当CAP与CAP结合位点这段序列结合时， 可激活RNA转录酶活性，使之提高50X
葡萄糖→ → → → →降解产物
命过程必需的、必不可少的，这 类基因通常被称为持家基因 （housekeeping gene）。
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4
诱导和阻遏表达
➢ 诱导（induction）：在特定的环境信号刺激下，相应基因被激 活，从而使基因的表达产物增加。这类基因称为可诱导基因。
➢ 可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为诱导 (induction)。 乳糖 → 利用乳糖的三种酶表达
CAP
有葡萄糖，cAMP浓度低时
精选不完整促ppt课进件转录
24
乳糖操纵子的CAP正调控
（Positive Control of CAP）
▪ 葡萄糖效应：当细菌在含有葡萄糖套和乳糖的培养基中生 长时，通常优先利用葡萄糖。只有当葡萄糖消耗完，经过 一段停滞期，在乳糖的诱导下半乳糖苷酶开始合成，细菌 才能充分利用乳糖。
▪ 始终存在着一定的比例关精选系完整( pZpt课:件Y : A = 5 : 2 : 1 )
典型乳糖操纵子的诱导原理
LacY
LRacNAA Pol.
Repressor Repressor
This lactose has bent me
out of shape
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乳糖操纵子的调控机理
▪
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17
乳糖操纵子诱导物
▪
是 诱 导 物
别 乳 糖
(allolactose)
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ATP → →cAMP → →5’AMP
CRP（非活性状态） → →CAP（活性状态）
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23
乳糖操纵子的CAP正调控
（Positive Control of CAP）
+ + + + 转录
DNA
CAP P O Z Y A
CAP CAP CAP CAP 无葡萄糖，cAMP浓度高时 促进转录
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)精,选产完生整阻ppt遏课件物(repressor)。
8
命过程必需的、必不可少的，这 类基因通常被称为持家基因 （housekeeping gene）。
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4
诱导和阻遏表达
➢ 诱导（induction）：在特定的环境信号刺激下，相应基因被激 活，从而使基因的表达产物增加。这类基因称为可诱导基因。
➢ 可诱导基因在特定环境中表达增强的过程，称为诱导 (induction)。 乳糖 → 利用乳糖的三种酶表达
典型乳糖操纵子的诱导原理课件
典型乳糖操纵子的诱导原理 课件
• 乳糖操纵子简介 • 乳糖操纵子的诱导原理 • 乳糖操纵子的应用 • 乳糖操纵子与其他操纵子的比较 • 未来展望
01
乳糖操纵子简介
乳糖操纵子的定义
01
乳糖操纵子是一种基因表达调控 系统，由三个结构基因Z、Y、A 以及一个调节基因I所组成，用于 编码分解乳糖的酶。
随着相关技术的不断发展，我们将更深入地了解 乳糖操纵子的调控机制，为相关应用研究提供更 多理论支持。
探索新型调控策略
针对乳糖操纵子的调控机制，探索新型的基因工 程调控策略，实现更精细、更高效的基因表达调 控。
拓展应用领域
随着乳糖操纵子研究的深入，其应用领域将不断 拓展，从生物制药、生物能源到生物环保等领域 都将得到更广泛的应用。
与可调节操纵子的比较
葡萄糖-6-磷酸脱氢酶操纵子
葡萄糖-6-磷酸脱氢酶操纵子由结构基因G6PDH以及其他调节基因所组成，可以通过多种调节方式来控制结构基 因的表达。
比较
可调节操纵子可以通过多种方式进行调控，如调节基因的表达、代谢物的浓度等。与可调节操纵子相比，乳糖操 纵子的调控方式较为单一，只有通过调节基因的表达来控制结构基因的表达。
基因治疗
通过调控乳糖操纵子，实现特定基 因在特定时间和空间的表达，为基 因治疗提供有效手段。
在生物制药工业中的应用
抗生素生产
乳糖操纵子可用于提高抗生素生产菌 株的产量，从而提高抗生素的产量和 质量。
生物催化剂
药物筛选
通过乳糖操纵子实现对药物作用靶点 的筛选和验证，加速新药研发进程。
利用乳糖操纵子调控酶的合成，实现 生物催化剂的高效生产和应用。
乳糖操纵子的诱导过程
01
阻遏蛋白的负性调节
• 乳糖操纵子简介 • 乳糖操纵子的诱导原理 • 乳糖操纵子的应用 • 乳糖操纵子与其他操纵子的比较 • 未来展望
01
乳糖操纵子简介
乳糖操纵子的定义
01
乳糖操纵子是一种基因表达调控 系统，由三个结构基因Z、Y、A 以及一个调节基因I所组成，用于 编码分解乳糖的酶。
随着相关技术的不断发展，我们将更深入地了解 乳糖操纵子的调控机制，为相关应用研究提供更 多理论支持。
探索新型调控策略
针对乳糖操纵子的调控机制，探索新型的基因工 程调控策略，实现更精细、更高效的基因表达调 控。
拓展应用领域
随着乳糖操纵子研究的深入，其应用领域将不断 拓展，从生物制药、生物能源到生物环保等领域 都将得到更广泛的应用。
与可调节操纵子的比较
葡萄糖-6-磷酸脱氢酶操纵子
葡萄糖-6-磷酸脱氢酶操纵子由结构基因G6PDH以及其他调节基因所组成，可以通过多种调节方式来控制结构基 因的表达。
比较
可调节操纵子可以通过多种方式进行调控，如调节基因的表达、代谢物的浓度等。与可调节操纵子相比，乳糖操 纵子的调控方式较为单一，只有通过调节基因的表达来控制结构基因的表达。
基因治疗
通过调控乳糖操纵子，实现特定基 因在特定时间和空间的表达，为基 因治疗提供有效手段。
在生物制药工业中的应用
抗生素生产
乳糖操纵子可用于提高抗生素生产菌 株的产量，从而提高抗生素的产量和 质量。
生物催化剂
药物筛选
通过乳糖操纵子实现对药物作用靶点 的筛选和验证，加速新药研发进程。
利用乳糖操纵子调控酶的合成，实现 生物催化剂的高效生产和应用。
乳糖操纵子的诱导过程
01
阻遏蛋白的负性调节
大肠杆菌的乳糖操纵子 ppt课件
3）阻遏蛋白位四聚体蛋白，由四个相同的亚基组成。在 无乳糖的情况下，它与操纵基因lacO结合而阻断RNA聚 合酶启动结构基因的转录，但这种结合并不完全，因此 会有微量的β-半乳糖苷酶、乳糖透过酶和巯基半乳糖苷 转乙酰酶的合成。
PPT课件
11
二、乳糖操纵子的负调控
4）一旦高浓度的乳糖进入细胞，在细胞内残留的β -半 乳糖苷酶催化下，一部分乳糖被异构化，变成别乳糖。 而别乳糖作为别构效应物与阻遏蛋白结合，改变阻遏蛋 白的构象，使其不能再与操纵基因结合，于是操纵子被 打开； 5）RNA聚合酶与启动子结合，启动三个结构基因的转录， 产生lacZ、lacY和lacA的共转录物，但翻译却是独立地 进行，从而产生三种不同的酶； 6）由于阻遏蛋白与操纵基因的结合阻断结构基因的表达， 因此，乳糖操纵子受到它的负调控； 7）发生在控制元件内的突变可影响到结构基因的表达。
乳 糖 操 纵 子 的 调 控 模 型
PPT课件
9
二、乳糖操纵子的负调控 乳糖操纵子的调控模型主要内容：
1）乳糖操纵子由调节基因、启动子、操纵基因和三个结构基因组 成，其中调节基因、启动子、和操纵基因构成控制元件，共同控 制结构基因的表达。操纵基因位于启动子和结构基因之间，其核 心结构是一段长位21bp的回文序列。
PPT课件
2
二、乳糖操纵子的负调控
大肠杆菌的乳糖操纵子是第一个被阐明的操纵子。早在20世纪 50年代，Jacob和Monod就开始研究大肠杆菌的乳糖代谢，集 中研究乳糖对乳糖代谢酶的诱导（introduction）现象：如果供 大肠杆菌生在的培养基中没有乳糖，那么细胞内参与乳糖分解代 谢的三种酶，即β-半乳糖苷酶（β-galactosidase）、乳糖透过 酶（lactosepermease）和巯基半乳糖苷转乙酰酶很少，如每个 细胞的β-半乳糖苷酶的平均含量只有0.5~5个。可是一旦在培养 基中加入乳糖或某些乳糖的类似物，则在几分钟内，每个细胞中 的β-半乳糖苷酶分子数量骤增，可高达5000个，有时甚至可占 细菌可溶性蛋白的5%~10%。与此同时，其他两种酶的分子数也 迅速提高。由此可见，新合成的β-半乳糖苷酶、透过酶和乙酰化 酶由底物乳糖或其类似物直接诱导产生，乳糖及其相关类似物被 称为诱导物。
PPT课件
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二、乳糖操纵子的负调控
4）一旦高浓度的乳糖进入细胞，在细胞内残留的β -半 乳糖苷酶催化下，一部分乳糖被异构化，变成别乳糖。 而别乳糖作为别构效应物与阻遏蛋白结合，改变阻遏蛋 白的构象，使其不能再与操纵基因结合，于是操纵子被 打开； 5）RNA聚合酶与启动子结合，启动三个结构基因的转录， 产生lacZ、lacY和lacA的共转录物，但翻译却是独立地 进行，从而产生三种不同的酶； 6）由于阻遏蛋白与操纵基因的结合阻断结构基因的表达， 因此，乳糖操纵子受到它的负调控； 7）发生在控制元件内的突变可影响到结构基因的表达。
乳 糖 操 纵 子 的 调 控 模 型
PPT课件
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二、乳糖操纵子的负调控 乳糖操纵子的调控模型主要内容：
1）乳糖操纵子由调节基因、启动子、操纵基因和三个结构基因组 成，其中调节基因、启动子、和操纵基因构成控制元件，共同控 制结构基因的表达。操纵基因位于启动子和结构基因之间，其核 心结构是一段长位21bp的回文序列。
PPT课件
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二、乳糖操纵子的负调控
大肠杆菌的乳糖操纵子是第一个被阐明的操纵子。早在20世纪 50年代，Jacob和Monod就开始研究大肠杆菌的乳糖代谢，集 中研究乳糖对乳糖代谢酶的诱导（introduction）现象：如果供 大肠杆菌生在的培养基中没有乳糖，那么细胞内参与乳糖分解代 谢的三种酶，即β-半乳糖苷酶（β-galactosidase）、乳糖透过 酶（lactosepermease）和巯基半乳糖苷转乙酰酶很少，如每个 细胞的β-半乳糖苷酶的平均含量只有0.5~5个。可是一旦在培养 基中加入乳糖或某些乳糖的类似物，则在几分钟内，每个细胞中 的β-半乳糖苷酶分子数量骤增，可高达5000个，有时甚至可占 细菌可溶性蛋白的5%~10%。与此同时，其他两种酶的分子数也 迅速提高。由此可见，新合成的β-半乳糖苷酶、透过酶和乙酰化 酶由底物乳糖或其类似物直接诱导产生，乳糖及其相关类似物被 称为诱导物。
第七章 乳糖操纵子
Lac
第四十六页，共68页。
lac操纵子影响因子
1、lac操纵子的本底水平表达
第二个矛盾： ②真正的诱导物是异构乳糖（也称别乳糖）而非乳糖，
前者是在β-半乳糖甘酶（Z基因编码）的催化下由
乳糖形成的，因此，需要有β-半乳糖甘酶的预先存在。
Lac
第四十七页，共68页。
别乳糖
乳糖操纵子活化，基因表达
鸡 - 蛋矛盾
第二页，共68页。
面对恶劣环境， 适者生存。
第三页，共68页。
基因表达调控的生物学意 义
• 适应环境、维持生长和增殖（原核、真核）
• 维持个体发育与分化（真核）
• 了解生物生长发育规律、形态结构特征和生物学功 能。
第四页，共68页。
（1）基因表达调控的概念
基因转录及翻译的过程，从DNA到蛋白质或功能 RNA的过程称为基因表达，对这个过程的调节就称为
糖。
第三十四页，共68页。
安慰诱导物：
事实上，研究诱导作用很少直接使用乳糖。 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）。
第三十五页，共68页。
别乳糖
β-半乳糖苷酶
结合lac阻遏物
IPTG
IPTG不是半乳糖苷酶可切割 的底物
负调控（negative control）:调节基因编码阻抑 因子与操纵基因结合来阻止基因的表达。
第十四页，共68页。
4. 诱导与阻遏
诱导 (induction)： 通过小分子诱导物参与, 使阻抑物失活或活化
激活剂来实现对基因或操纵子表达的调控 。
阻遏(repression): 通过小分子辅阻遏物参与，使激活剂失活或
第四十六页，共68页。
lac操纵子影响因子
1、lac操纵子的本底水平表达
第二个矛盾： ②真正的诱导物是异构乳糖（也称别乳糖）而非乳糖，
前者是在β-半乳糖甘酶（Z基因编码）的催化下由
乳糖形成的，因此，需要有β-半乳糖甘酶的预先存在。
Lac
第四十七页，共68页。
别乳糖
乳糖操纵子活化，基因表达
鸡 - 蛋矛盾
第二页，共68页。
面对恶劣环境， 适者生存。
第三页，共68页。
基因表达调控的生物学意 义
• 适应环境、维持生长和增殖（原核、真核）
• 维持个体发育与分化（真核）
• 了解生物生长发育规律、形态结构特征和生物学功 能。
第四页，共68页。
（1）基因表达调控的概念
基因转录及翻译的过程，从DNA到蛋白质或功能 RNA的过程称为基因表达，对这个过程的调节就称为
糖。
第三十四页，共68页。
安慰诱导物：
事实上，研究诱导作用很少直接使用乳糖。 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）。
第三十五页，共68页。
别乳糖
β-半乳糖苷酶
结合lac阻遏物
IPTG
IPTG不是半乳糖苷酶可切割 的底物
负调控（negative control）:调节基因编码阻抑 因子与操纵基因结合来阻止基因的表达。
第十四页，共68页。
4. 诱导与阻遏
诱导 (induction)： 通过小分子诱导物参与, 使阻抑物失活或活化
激活剂来实现对基因或操纵子表达的调控 。
阻遏(repression): 通过小分子辅阻遏物参与，使激活剂失活或
典型乳糖操纵子的诱导原理PPT课件
▪
乳糖操纵子诱导物
▪
是 诱 导 物
别 乳 糖
(allolactose)
为什么选用IPTG作诱导物？
▪ 能诱导酶的合成，但又不被分解的分子,称为安慰 诱导物（gratuitous inducer）。
▪ 由于乳糖虽可诱导酶的合成，但又随之分解，产 生很多复杂的动力学问题，因此人们常用安慰诱 导物来进行各种实验。
cAMP
Repressor
cAMP
CAP
Lac操纵子基因表达受阻遏蛋白和 CAP的双重调控
▪ 负调节与正调节协调合作
➢ 阻遏蛋白封闭转录时，CAP不发挥作用 ➢ 如没有CAP加强转录，即使阻遏蛋白R从P上解聚仍
无强大转录活性
☆葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌优先利用葡萄 糖
➢ 葡萄糖可降低cAMP浓度，阻碍其与CAP结合从而抑制转 录
➢ 可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏 (repression）。
协调表达
(coordinate expression)
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，使各表达产物的分子比 例适当，从而正常发挥功能。这种现象称 为协调表达 (coordinate expression)，这 种调节称为协调调节 (coordinate regulation)。
LacY LRacNAA Pol.
CAP
cAMP
cAMP
CAP
The Lac Operon:
When Neither Lactose Nor Glucose Is Present
Alright, I’m off to
the races . . .
Hey man, I’m
乳糖操纵子诱导物
▪
是 诱 导 物
别 乳 糖
(allolactose)
为什么选用IPTG作诱导物？
▪ 能诱导酶的合成，但又不被分解的分子,称为安慰 诱导物（gratuitous inducer）。
▪ 由于乳糖虽可诱导酶的合成，但又随之分解，产 生很多复杂的动力学问题，因此人们常用安慰诱 导物来进行各种实验。
cAMP
Repressor
cAMP
CAP
Lac操纵子基因表达受阻遏蛋白和 CAP的双重调控
▪ 负调节与正调节协调合作
➢ 阻遏蛋白封闭转录时，CAP不发挥作用 ➢ 如没有CAP加强转录，即使阻遏蛋白R从P上解聚仍
无强大转录活性
☆葡萄糖/乳糖共同存在时，细菌优先利用葡萄 糖
➢ 葡萄糖可降低cAMP浓度，阻碍其与CAP结合从而抑制转 录
➢ 可阻遏基因表达产物水平降低的过程称为阻遏 (repression）。
协调表达
(coordinate expression)
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，使各表达产物的分子比 例适当，从而正常发挥功能。这种现象称 为协调表达 (coordinate expression)，这 种调节称为协调调节 (coordinate regulation)。
LacY LRacNAA Pol.
CAP
cAMP
cAMP
CAP
The Lac Operon:
When Neither Lactose Nor Glucose Is Present
Alright, I’m off to
the races . . .
Hey man, I’m
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为RNA）。也称转录因子。
2020/2/18
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基因表达的调控方式 阻遏
➢负调控:调控蛋白+DNA序列 基因的表达 阻遏蛋白(相应蛋白质降低)
促进 ➢正调控:调控蛋白+DNA序列 基因的表达
激活蛋白(相应蛋白质增加)
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正转录调控 没有调节蛋白质存在时基因是（关闭/开启）
的，加入这种调节蛋白质后基因活性就被（关闭/ 开启），为正转录调控。
负转录调控 没有调节蛋白质存在时基因是 开启 的，加入
调节蛋白质后基因表达活性便被 关闭 ，为负转录 调控。
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负转录调控分类:
负控诱导
阻遏蛋白阻止基因转录，与效应物 结合后基因表达
负控阻碍
阻遏蛋白无活性，与效应物结合后 阻止基因转录
正转录调结合后激活基因 转录
不同的组织器官，基因表达数目及表达量不同。
同一基因在不同组织器官中表达量也不相同。
仅少部分基因在不同细胞类型及生长发育时期表达 相同，这类基因被称为组成性表达基因，或被称为 管家基因。
与细胞分化，组织、器官及生物体适应环境所需而 表达的基因，被称为适应性表达基因，或被称为奢 侈基因。
调节基因
启动子 操纵序列
2020/2/18
多个结构基因
终止子
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1. 结构基因与调节基因
结构基因（structural gene）
编码各类具有不同结构和功能的蛋白质和 RNA的基因。
调节基因
启动子 操纵序列
多个结构基因
终止子
RNA
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Pro
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1. 结构基因与调节基因
调节基因（regulator gene） 编码蛋白质或RNA来调节其他基因表达的
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（3）基因的表达调控方式
基因水平的调控 转录水平的调控 转录产物加工的调控 翻译水平的调控以及翻译
后的加工等
转录水平调控 转录后水平调控
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原核生物与真核生物转录及翻译调控的总体特征
• 原核生物-----营养和环境
• 真核生物-----激素水平和发育阶段
7.1 基因表达调控总论
什么是基因表达与 调控？
• 基因表达=基因转录+翻译 • 基因表达的调控:
生物体随时调整不同基因的表达状态, 以适应环境、维持生长和发育需要。
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面对恶劣环境， 适者生存。
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基因表达调控的生物学意义
• 适应环境、维持生长和增殖（原核、真核） • 维持个体发育与分化（真核） • 了解生物生长发育规律、形态结构特征和生物学
基因。
调节基因
启动子 操纵序列
多个结构基因
终止子
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2. 阻遏物、操纵基因与操纵子
阻遏物（repressor）:阻止基因表达的蛋白质，可与 操纵基因结合来阻止转录或结合RNA来阻止蛋白质 的翻译。
操纵基因（operator）: DNA上的一个位点，阻遏物 能与之结合抑制相邻启动子起始转录。
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7.1.1 原核基因表达调控分类
• 根据调控机制：
负转录调控
正转录调控
调节基因编码阻遏蛋白， 调节基因编码激活蛋白，
阻止结构基因转录。
促进结构基因转录。
负控诱导
负控阻遏
正控诱导
正控阻遏
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几个重要概念
结构基因与调节基因 阻遏物、操纵基因与操纵子 正调控与负调控 诱导与阻遏 顺式作用元件与反式作用因子
第七章 原核基因表达调控
主讲人：徐飞
武汉生物工程学院 生命科学与技术学院
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本章内容
原核基因表达调控的总论 乳糖操纵子与负控诱导系统 色氨酸操纵子与负控阻遏系统 其他操纵子 固氮基因调控 转录水平上的其他调控方式 转录后调控
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重点 重点
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功能。
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（1）基因表达调控的概念
基因转录及翻译的过程，从DNA到蛋白质或功能 RNA的过程称为基因表达，对这个过程的调节就 称为表达调控。
注意：rRNA、tRNA编码基因转录合成RNA的过程 也属于基因表达。
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（2）基因表达模式
同一细胞内，有的基因表达高，有的表达量低，甚 至不表达。
顺式作用元件（cis-acting element）:
指与结构基因串联的特定DNA序列，包括启动子、 增强子、调控序列和可诱导元件等；顺式作用元件要与 反式作用因子相互作用而起作用。
反式作用因子（trans-acting factor）:
指能直接或间接地识别或结合在各类顺式作用元件
核心序列上，参与调控靶基因转录效率的蛋白质（有时
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4. 诱导与阻遏
诱导 (induction)：
通过小分子诱导物参与, 使阻抑物失活或活 化激活剂来实现对基因或操纵子表达的调控 。
阻遏(repression):
通过小分子辅阻遏物参与，使激活剂失活 或活化阻抑物来实现基因或操纵子不表达的调 控。
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5. 顺式作用元件与反式作用因子
例：大肠杆菌的乳糖操纵子 分解代谢蛋白的基因
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可阻遏调节
定义：基因平时是开启的，处在产生蛋白质或酶 的工作过程中，由于一些特殊代谢物或化合物的 积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。
例：色氨酸操纵子 合成代谢蛋白的基因
正控阻碍
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激活蛋白与效应物结合后阻遏基因 转录
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基因 表达 调控 4种 模型
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负控诱导 负控阻遏
正控诱导
正控阻遏
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7.1.2 原核生物表达调控的主要特点
1、可诱导调节 2、可阻遏调节
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可诱导调节
定义：指一些基因在特殊的代谢物或化合物的作 用下，由原来关闭的状态转变为工作状态，即在 某些物质的诱导下使基因活化。
操纵子（operon）:细菌基因表达和调控的单位，包
括结构基因和能被调控基因产物识别的 DNA控制元
件。
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3. 正调控与负调控
正调控（positive control）: 调节基因编码 的激活因子通过与启动子元件结合来促进基 因的表达。
负调控（negative control）:调节基因编码阻 抑因子与操纵基因结合来阻止基因的表达。