操纵子的原型

二、操纵子的原型——乳糖操纵子

20世纪初就发现了酵母细胞中酶的诱导现象，即分解底物的酶只有在底物存在时才出现。当大肠杆菌生长在没有乳糖的培养基上时，每个细胞内只有5个分子的β^－半乳糖苷酶，加入合适的底物后，在2～3min内开始出现β^－半乳糖苷酶，很快可以达到每个细胞5000个酶分子，如果撤除底物，则β^－半乳糖苷酶的合成迅速停止，就像当初加入底物时迅速合成一样。

大肠杆菌分解利用乳糖的酶除了β^－半乳糖苷酶之外，还需要使乳糖能够进入细胞的β^－半乳糖苷透性酶，以及β^－半乳糖苷乙酰基转移酶。编码这3个酶的基因（Z、Y、A）由同一个启动子控制，转录成1条多基因的mRNA，然后依次翻译出β^－半乳糖苷酶、透性酶和转乙酰酶。在研究一系列的突变体后发现lacI基因的表达产物可以阻遏这3个基因的转录。Jacob和Monod于1961年提出了操纵子模型：一个或几个结构基因与1个调节基因和1个操纵位点组成1个操纵子。在操纵子中结构基因产生mRNA并成为模板合成蛋白质；而调节基因则产生一种阻遏蛋白与操纵位点相互作用；阻遏蛋白与操纵位点结合从而阻碍了结构基因转录成为mRNA；在诱导过程中，诱导物（又称抗阻遏物，antirepressor）通过与阻遏蛋白相结合而阻止阻遏蛋白与操纵位点的结合。

图2－3　乳糖操纵子模型

乳糖操纵子的基本调控途径如图2－3。lacZ，lacY，lacA为结构基因，上游为操作子（操纵位点O）、启动子（P）和调节基因lacI。当细胞内无诱导物存在时，阻遏蛋白能够与操纵位点结合。由于操纵位点与启动子有一定程度的重叠，因此妨碍了RNA聚合酶在－10序列上形成开放性启动子复合物。当细胞内有诱导物存在时，诱导物以极高的浓度与阻遏蛋白迅速结合，从而改变阻遏蛋白的构象，使之迅速地从操纵位点上解离。这样，RNA聚合酶就能与启动子牢固结合形成开放性启动子复合物，从而开始转录lacZYA结构基因。这种通过小分子结合而进行的变构控制在基因转录的调控中是很普遍的现象。但是在有葡萄糖存在的条件下，转录仍然不能进行，因为lac启动子是一个弱启动子，还必须有环式腺苷酸分解代谢物激活蛋白复合物才能发生转录（catabolite activator protein，cAMP－CAP）。葡萄糖作为信号分子通过抑制腺苷酸环化酶来抑制cAMP的合成，从而抑制CAP与cAMP结合形成cAMP－CAP复合物（见图2－4）。所以只有在无葡萄糖有乳糖存在条件下，乳糖操纵子才发生转录。

图2－4　CAP、cAMP对乳糖操纵子的调节

利用乳糖操纵子的特点，现在已经应用到了基因工程中。例如，利用大肠杆菌大量表达目的蛋白，在大肠杆菌的培养基中加入人工诱导剂异丙基－β^－D硫代半乳糖苷（IPTG），就能诱导表达外源基因得到目的蛋白，在这个过程中IPTG就是去阻遏的小分子。

乳糖操纵子模型提出后，人们相继发现了许多其他的操纵子，这些操纵子都各有特色。例如半乳糖操纵子具有双启动子结构；阿拉伯糖操纵子调节蛋白具有正调控和负调控的双重功能；色氨酸操纵子是1个可阻遏的操纵子。后来的研究发现这些操纵子的某些“特点”带有一定的普遍性，例如乳糖操纵子也有双启动子，乳糖操纵子与半乳糖操纵子和阿拉伯糖操纵子一样，也具有1个以上的阻遏蛋白结合位点。