(精选)乳糖操纵子简介
长安大学研究生院-关工委工作汇报
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
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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R
NA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m
RNA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(derepression,induction)
▪
诱导剂(inducer): 别乳糖、半乳糖、IPTG（异丙基硫代半乳糖苷）
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。
▪ X-gal（5-溴-4-录-3-吲哚-β-半乳糖苷）也是一种
人工化学合成的半乳糖苷，可被
β－半乳糖苷酶水解产生兰色化合物，因此可以用作β
－半乳糖苷酶活性的指示
剂。IPTG和X-gal都被广泛应用在分子生物学和基因工程的工作中。
▪ 某些诱导物与自然的β-半乳糖苷酶相似，且不能被酶分解，比如异丙基-β-D-硫代
半
乳糖苷，（isopropylthiogalactoside,IPTG）。不被细菌分解性质稳定，它的浓
度
在实验中不会改变。
▪ 复杂的动力学问题，便于研究。
▪
IPTG能在缺乏
lacY
基因下而有效地被运送。
▪ 半乳糖苷键中用硫代替了氧，失去了水解活性，但硫代半乳糖苷和同源的氧代化合
物与酶位
点的亲和力相同，IPTG虽不为β-半乳糖苷酶所识别，但它是lac基因簇
十分有效的诱导物。
乳糖操纵子的CAP正调控（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,
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）
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
ATP → →cAMP →
→5’AMP
CRP（非活性状态） → →CAP（活性状态）
无葡萄糖，cAMP浓度高时促进转录, 有葡萄糖，cAMP浓度低时不促进转录
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。
葡萄糖的降解物能抑制腺苷酸环化酶活性，并活化磷酸二脂酶，因而降低 cAMP的
浓度。
所以葡萄糖存在时，cAMP浓度低；仅在葡萄糖消耗完毕时, cAMP浓度增高，CAP-cAMP
复合物形成（结合于lac operon CAP结合位点)，才会促进转录。
乳糖操纵子的协调调控(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<
br>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。
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
本底表达
▪ 在
细胞中透性酶等总是以最低量存在着，足以供给底物开始进入时的需要。也就是
说，操纵子有一个本底水
平（basal level）的表达，即使没有诱导物的存在，也保
持此表达水平（诱导水平的0.1
%）；有的诱导物是通过其他吸收系统进入细胞的。
小结
▪
Lac操纵子基因表达受阻遏蛋白和CAP的双重调控。
▪ lac操纵子中的一组基因有两道控制开
关，只有两道开关同时打开时，即满足缺乏
葡萄糖并存在乳糖条件时，基因才能够转录。
2012年3月1日