分子生物学 第 6 章 第 2 节：乳糖操纵子与负控诱导系统

6.2.1 乳糖操纵子

• 组成：

  • 调节基因 I：编码调节蛋白（阻遏蛋白）

  • 操纵序列：包括启动子promoter和操纵子operator

  • 三个结构基因：Z、Y、A

lac 体系受调控的证据：

1. 不含乳糖和 β-半乳糖苷的培养基中：β-半乳糖苷酶和透过酶活性很低

2. 在培养基中加入乳糖：上述两酶浓度升高

研究诱导作用很少使用乳糖的原因
培养基中的乳糖会被诱导合成的 β-半乳糖苷酶水解，从而使其浓度不断发生变化

• 解决方法：使用安慰性诱导物

• 安慰性诱导物gratuitous inducer：可以诱导酶的合成，又不会被诱导出来的酶分解的物质

• 实验室常用的乳糖类似物（安慰性诱导物）：

  • 异丙基巯基半乳糖苷IPTG （含硫）

  • 巯甲基半乳糖苷TMG （含硫）

  • O-硝基半乳糖苷ONPG （酶活性分析中常用的发色底物）

6.2.2 操纵子模型

乳糖操纵子的控制模型

1. Z、Y、A 基因的产物由同一条多顺反子 mRNA 所编码

2. 该 mRNA 分子对应基因的启动子P位于调节基因I与操纵子O之间，说明其表达受调控

3. 操纵子是 DNA 上的一小段序列（26 bp），是阻遏物的结合位点

4. 当阻遏物与操纵子相结合时，lac mRNA 的转录起始受到抑制

5. 诱导物与阻遏物的结合使后者从操纵子上脱落，从而启动lac mRNA 的转录

lac 操纵子的本底水平表达

• 两个矛盾

  1. 先要有透过酶，乳糖才能进入细胞，从而诱导透过酶的合成

  2. 先要有 β-半乳糖苷酶，才能形成异构乳糖，从而诱导 β-半乳糖苷酶的合成

• 对矛盾的解释：在非诱导状态下，有少量的lac mRNA 合成

• 本底水平的组成型合成background level constitutive synthesis：在非诱导条件下有少量诱导型蛋白质的合成

cAMP 与代谢激活蛋白

• 环腺苷酸 cAMP ：由 ATP 在腺苷酸环化酶的作用下转变而来

• 代谢物激活蛋白 CAP，catabolite activator protein ：能结合 ATP，又被称为环腺苷酸受体蛋白CRP

• lac mRNA 合成起始必需条件：cAMP-CRP 复合物与启动子结合

• 葡萄糖↑ → cAMP↓ → CRP（CAP）↓ → lac基因不表达

降解物敏感型操纵子 catabolite sensitive

• 表达出的酶参与水解反应后的产物会反过来调控其表达的操纵子

• 举例：半乳糖、麦芽糖、阿拉伯糖、山梨醇等糖代谢中有关的酶都是由可诱导的操纵子控制的，只要有其水解产物葡萄糖的产生，这些操纵子就不表达（受 cAMP-CRP 调节）

葡萄糖对lac操纵子的影响

• 如果培养基中同时加入葡萄糖和乳糖：

  • 大肠杆菌在耗尽外源葡萄糖之前不会诱发 lac 操纵子，没有β-半乳糖苷酶活性

  • 外源葡萄糖消耗完后，细胞内 cAMP↑，β-半乳糖苷酶活性↑ 二次生长现象

• 代谢物阻遏效应 catabolite repression：某分子对某操纵子表达的抑制作用是通过其代谢产物实现的 如葡萄糖对 lac 操纵子是通过其某些代谢产物实现的

6.2.3 lac 操纵子的操纵序列

• 包含 P、O 二区

• P 区：启动子区 promoter

• O 区：操纵区（阻遏物结合区） operator