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十张图带你读懂大肠杆菌

生物学霸

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大家对大肠杆菌应该很熟悉,它是分子生物学里最常见的工程菌。基因克隆、蛋白表达,这些就是在大肠杆菌中实现的,这和大肠杆菌的结构密切相关。

大肠杆菌 K12

大肠杆菌是一种革兰氏阴性菌,棒状,约 2.5 微米长。有鞭毛,它的基因组由 4 639 221 个碱基对组成,至少编码 4 000 个基因。

扫描电镜下的 E.coli

K12 菌株最早是 1921 年从疟疾患者的粪便中分离得到,一直作为纯种保藏在实验室里,已有 75 年。大肠杆菌 K12 容易生长,并且关于它的代谢研究很多,因此它经常被用作生物化学实验室的实验菌株。


E.coli 基本结构

和所有的革兰氏阴性菌一样,大肠杆菌没有核膜,染色体上有膜的附着位点和单复制子。

Lac 操纵子

大肠杆菌乳糖操纵子对开展分子遗传学研究非常有用。接下去会阐述它是如何起作用的。


Lac 操纵子编码大肠杆菌乳糖代谢过程中需要的三种酶。其中 Lac Z 编码 β-半乳糖苷酶,也就是将乳糖水解成半乳糖和葡萄糖,过程如下。


这个乳糖操纵子系列受阻遏蛋白调控,乳糖水平很低的时候,阻遏蛋白结合到启动子上,操纵子关闭。相反,如果乳糖存在,阻遏蛋白被抑制,转录就被诱导。此时 β-半乳糖苷酶就能正常催化乳糖。


乳糖结构式


半乳糖结构式


IPTG

似乎到这里,也没发现这对我们克隆、表达有啥用?别急,接着往下看。

Lac 操纵子的组成

Lac 操纵子的组成具体如下。我们看到有一个启动子、转录调控位点(图中 c)、CAP 结合位点(图中 o)以及结构基因(lacZ、lacY、lacA)。转录受阻遏蛋白调控,如果加入 IPTG,阻遏蛋白失活,操纵子开始转录。

看到这里是不是很熟悉,你的基因转入质粒以后,是不是用 IPTG 诱导的?加入一定抗性,优化条件,是不是蛋白表达了?具体怎么会表达的,结合上述大肠杆菌的结构,有没有稍微懂一点呢?

IPTG 诱导表达系统

还不太明白,继续看下面这个图。

看懂了过程中,我们就好理解蓝白斑筛选了,细胞中 β-半乳糖苷酶的活性可以用 X-gal 检测,如下图所示,小鼠胚胎中细胞特异性表达的鉴定也是利用这个原理。

编译:霸霸

参考文献:Biology of E.coli K-12

配图来源:Applied Molecular Genetics-Bioc 471a/571a

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