【正确答案】大肠杆菌乳糖操纵子包括三个结构基因:Z、Y和A以及一个操纵序列(基因)O、一个启动序列(基因)P及一个调节基因I等。转录时,RNA聚合酶首先与启动区结合,通过操纵区向右转录。转录从启动区开始,按Z→Y→A方向进行,每次转录出来的一条mRNA上都带有这三个基因。转录的调控是在启动区和操纵区进行的。
正调控机制:cAMP-CAP复合物与DNA结合改变了这一区段DNA次级结构,促进了RNA聚合酶结合区的解链。这可能是cAMP-cAP通过与RNA聚合酶结合,再与DNA结合,因而促进了RNA聚合酶与启动基因的结合,从而增强了转录。cAMP-cAP复合物的形成取决于细胞内cAMP的浓度,当以葡萄糖为能源时,由于其抑制腺苷酸环化酶的活性,ATP不能转化为cAMP,细胞内cAMP浓度降低,形不成CAP-cAMP复合物,因而乳糖结构基因不被转录。
负调控机制:具有活性的阻遏物只要结合在操纵基因上,就可以阻扰RNA聚合酶的转录活动,这是由于P和O位点有一定的重叠序列,O被阻遏物占据后,RNA聚合酶便不能结合到P位点上。阻遏物有无活性又受乳糖这种小分子诱导物的影响。阻遏物与乳糖结合后,由于发生构象变化而失活,不再能同操纵基因结合,于是RNA聚合酶便能结合于启动基因,启动基因的表达,使乳糖利用的结构基因转录出相应的mRNA,进而再翻泽出蛋白质。在酶诱导合成的这个调节系统中,阻遏蛋白是主要的作用因子,而诱导物可以影响阻遏蛋白的活性,只有阻遏物被诱导失活,结构基因才得以表达。
不同生长条件下的协调调节:是指lac操纵子阻遏蛋白的负性调节与CAP的正性调节机制协调合作。CAP不能激活被阻遏封闭蛋白的基因的转录;反之,没有CAP的存在来加强转录活性,即使阻遏蛋白从操纵基因上解离,基因仍无转录活性。具体涉及存在以下4种不同的组合状态,决定基因的表达与否,以适应环境中葡萄糖(G)和乳糖(L)的有无状态。即有葡萄糖时,先利用葡萄糖;用完后,然后再利用乳糖作为能源。
葡萄糖和乳糖都不存在:CAP可发挥作用;但无乳糖的诱导,阻遏蛋白与DNA结合,基因关闭。
葡萄糖存在、乳糖不存在:有G存在,CAP不起作用;无L存在,阻遏蛋白与DNA结合,基因关闭。
葡萄糖和乳糖都存在:阻遏蛋白与DNA解离,但由于有G存在,CAP不起作用,基因仍然关闭。
葡萄糖不存在、乳糖存在:阻遏蛋白与DNA解离,无G存在,CAP起协同作用,基因转录启动。
【答案解析】[考点]乳糖操纵子的结构及其正、负调控机制。负调控是指在无调节蛋白时,基因是表达的,加入调节蛋白,基因活性被关闭。任何干扰基因表达的作用都是负调控。而正调控则是在无调节蛋白时,基因是关闭的,加入调节蛋白,基因活性被开启。
大肠杆菌乳糖操纵子由Z、Y和A3个结构基因(它们分别编码分解乳糖的三个酶:Z编码β-半乳糖苷酶;Y编码β-半乳糖苷透过酶;A编码β-半乳糖苷乙酰基转移酶)、一个操纵序列O、一个启动序列P及一个调节基因I等组成。I基因编码一种阻遏蛋白(阻遏物),可与O序列结合,使乳糖操纵子处于阻遏状态,介导负调控。在启动序列P上游还有一个分解代谢物基因激活蛋白CAP结合位点。在有cAMP存在时,cAMP和cAP结合,使后者构象改变从而与CAP结合位点结合,刺激RNA的转录活性,介导正调控。
在不同生长条件下,负性调节与正性调节两种机制相辅相成、互相协调、相互制约。