-
1?
乳糖操纵子
的结构
大肠杆菌
的
乳糖操纵子
含
Z
、
Y
及
A
三个
结构基因
，分别编码
β
-
半乳糖苷酶
、透酶、
乙
酰基转移酶
，此
外还有一个操纵序列
O
、
一个启动序列
P
及一个
调节基因
Ⅰ。Ⅰ基因编码一种
阻遏蛋白
，
后者与
O
序列结
合，使
操纵子
受
阻遏
而处于转录失活状态。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，由
P
序列、
O
序列和
CAP
结合位
点共同构成
LAC
操纵子
的调控区，三
个酶的编码基因即由同
一调控区调节，实现
基因产物
的协调表达。
2?
阻遏蛋白
的负性调节
< br>
在没有乳糖存在时，乳糖
操纵子
处于
阻遏
状态。此时，Ⅰ基因列在
P
启动序列操纵下表达的乳糖
阻遏蛋
白
与
O
序列结合，故阻断转录启动。
阻遏
蛋白的阻遏
作用并非绝对，偶有阻遏蛋白与
O
序列解聚。因此，
每个细胞中可能会有寥寥数分子
β
半乳糖苷酶
、透酶生成。
当有乳糖存在时，乳糖操纵子即可被诱导。真正的诱导剂并非乳糖本身。乳糖经透
酶催化
、转运进入细
胞，
再经原先存在于细胞中的少数
β
-
半乳糖苷酶
催化，
转变为
别乳糖
。
后者作为一种诱导剂分子结合阻遏
蛋白，
使蛋白构型变化，导致阻遏蛋白与
O
序列
解离
、发生转录，使
β
-
半乳糖苷酶
分子增加
1000
倍。
3?CAP
的正性调节
分解代谢物
基因
激活蛋白
CAP
是同
二聚体
，在其分子内有
DNA
结合区及
cAMP
结合位点。当
没有
葡
萄糖
及
cAMP
浓度较高时，
cAMP
与
CAP
结合，
这时
CAP
结合在乳糖启动序列附近的
CAP
位点，
可刺激
RNA
转录活性，使之
提高
50
倍；当
葡萄糖
存在时，
cAMP
浓度降低，
cAMP
与
CAP
结合受阻，因此乳糖
操纵子表达下降。
由此可见，对乳糖操纵子来说
CAP
是正性调节因素，乳糖阻遏蛋白是负性调节因素。两种调节机
制根
据存在的碳源性质及水平协调调节乳糖操纵子的表达。
4?
对调节机制的解释
大肠杆菌
根据碳源性质选择代谢方式。
倘若有
葡
萄糖
存在时，
细菌优先选择葡萄糖供应能量。
< br>葡萄糖通过降低
cAMP
浓度
，
阻碍
cAMP
与
CAP
结合而抑制乳糖操纵子转录，使细菌只能利用葡萄糖。
在没有葡萄糖而只有乳糖的条件下，阻遏蛋白与
O
序列解聚，
CAP
结合<
/p>
cAMP
后与乳糖操纵子的
CAP
位点，激活转录，使得细菌利用乳糖作为能量来源。
乳糖操纵子
编辑
参与乳糖分解的一个基因群，<
/p>
由乳糖系统的阻遏物和操纵基因受负的控制，
而同时又同步地受支
配。
1961
年雅各布（
F
．
Jacob
）和莫诺德
（
J
．
Mon
－
od
）根据该系统的研究而提出了著名的操纵子学说。
关于大肠杆菌的乳糖系统操纵子，
β
-
半乳糖苷酶，半乳糖苷渗透酶，半乳糖苷转酰酶的结构基因以
LacZ
（
z
）
，
Lac Y
（
y
）
，
Lac A
（
a
）的顺序分别排列在染色体上，与
z
相邻，与
y
相对的一侧有操纵基因
Lac O
（
o
）
，更前面有启动基因
Lac
P<
/p>
（
p
）
，操纵子
（乳糖操纵子）就是这样构成的。决定乳酸系统阻遏物结构
的调节基因
< br>Lac I
（
i
）处于和
p
相邻的位置上。
目
录
1
结构和功能
2
阻遏蛋白的活性受到小分子诱导的控制
3
操纵基因和调节基因的鉴别
1
结构和功能
细菌相关功能的结构基因常连在一起，形成一个基因簇。它们编码同一个代谢途径中的不同的酶。一个基
因簇受到同一的调控，一开俱开，一闭俱闭。也就是说它们形成了一个被调控的单位，其它的相
关功能的
基因也包括在这个调控单位中，例如编码透过酶的基因，虽它的产物不直接参与
催化代谢，但它可以使小
分子底物转运到细胞中。
乳糖分解代谢相关的三个基因，
lacZ
、
Y
、
A
就是很典型的
是上述基因簇。它们的产物可催化乳糖的分解，
产生葡萄糖和半乳糖。它们具有顺式作用
调节元件和与之对应的反式作用调节因子。三个结构基因图的功
能是：
< br>
lacZ
编码
β
-
半乳糖苷酶，此酶由
500kd
< br>的四聚体构成，它可以切断乳糖的半乳糖苷键，而产生半乳糖和葡
萄糖
lacY
编码
β
一半乳糖苷透性酶，
这种酶是一种分子量为
3
0kDd
膜结合蛋白，
它构成转运系统，
将半乳糖苷
运入到细胞中。
lac
A
编码
β
-
半
乳糖苷乙酰转移酶，其功能只将乙酰
-
辅酶
A
上的乙酰基转移到
β
-
半乳糖苷上。
无论是
lacZ
发生突变还是
lacY
发生突
变却可以产生
lac-
型表型，
这种<
/p>
lac-
表型的细胞不能利用乳糖。
<
/p>
lacZ-
突变体中半乳糖苷酶失去活性，直接阻止了乳糖的代谢
。
lacY-
突变体不能从膜上吸取乳糖。
这一个完整的调节系统包括结构基因和控制这些基因表达的元件，形成了一个共同
的调节单位，这种调节
单位就称为操纵子（
opron
）
。操纵子的活性是由调节基因控制的，调节基因的产物可以和操纵子上
的顺式
作用控制元件相互作用。
la
cZ
、
Y
、
A
基因的转录是由
lacI
基因指令合成
的阻遏蛋白所控制。
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
lac
I
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（这是典型的
反式
-
作用调节物。
）
通过突变的效应是可以将结构基因和调节基因相区别的，结构基因发生突变，
细胞中就失去这些基因合成
的蛋白。但是调节基因发生突变会影响到它所控制的所有结构
基因的表达。调节蛋白的突变的结果可以显
示调节的类型。
<
/p>
lac
基因簇是受到负调节（
negat
ive
regulation
）
。它
们的转录可被调节蛋白所关闭。若调节蛋白因突变而失
活就会导致结构基因组成型表达。
表明调节蛋白的功能是阻止结构基因的表达，因此称这些蛋白为
“
阻遏
”
蛋白。
乳糖操纵子的阻遏蛋白是由
4
个亚基（
38kDa
）组成的四聚体。一个野生型细胞中大约有
10
个四聚体。调
节基因转录成单顺反子的
mRNA
，它和操纵子的比率与
RNA
聚合酶和启动子之比是相似的。
lac I
< br>的产物称为
lac
阻遏物（
la
c repressor
）
，其功能是和
lacZ
、
Y
、
A
基因簇
5′
端的操纵基因（
lac O
）
,
操
纵
基因位于启动子
(lac
P)
和结构基因（
lac ZYA
）之
间。当阻遏物结合在操纵基因上时就阻碍了启动子上的转
录起始。
lac O
从
mRNA
转录起始点
的上游
-5
处延伸到转录单位
+21<
/p>
处。
这样它和启动子的末端发生重叠。
新
近的观点认为阻遏物影响了
RNA
聚合酶，
从操纵基因和启动子二者相关位置来看阻遏物结合在
DNA
上
会阻碍
RNA
聚合酶转录结构基因。
但我们必须注意其它一些操纵子上的操纵基因其位置和乳糖操纵子并
不相同，因而阻遏蛋
白可以通过多种方式与操纵操纵基因结合阻断转录。
2
阻遏蛋白的活性受到小分子诱导的控制
细菌
对环境的改变必需作出迅速的反应。营养供给随时都可能发生变化，反复反常。要能得以幸存必需具
有可以变换不同代谢底物的能力。单细胞真核生物也同样生活在不断变化环境中；而更为复杂的多细胞
生
物都具有一套恒定的代谢途径，而无需对外部环境作出反应。
在细菌中是很需要灵活性，
也需要很经济，
因为细菌遇到合适的环境就大量消耗营养对其本身也是不利的。
在缺乏底物时就不必
要合成大量相关的酶类，因此细菌产生了一种调节机制，即在缺乏底物时就阻断酶的
合成
途径，但同时又作好了准备，一旦有底物存在就立即合成这些酶。
特殊底物的存在导致了酶的合成，此现象称为诱导（
induction
）
。这种类型的调控广泛存在于细菌中，在较
低等
的真核生物（如酶母）也有这种情况。
的乳糖操纵子提供了这种
调控机制的典型范例。
当
生长在缺乏
β
一半乳糖苷的条件下是不需要
β
-
半乳糖苷酶的，因此细胞中含量很低，大
约每个细
胞不高于
5
个分子，当加入底
物后细菌中十分迅速地合成了这种酶，仅在
2-3
分钟之内酶就
可以产生并很
快增长到
5000
个分子
/
每个细胞。如在酶的浓度将达到细胞总蛋白的
5-10%
。如在培养基中除去底物，那
么酶的合成也
就迅速停止，恢复到原来的状态。
如果原来培养基中无乳糖，
也无葡萄糖，那么细胞只在很低的基本水平合成
β
-
半乳苷酶和透性酶。当加入
Lac
后，
Ecoli
的
lac+
细胞很快大量合成以上两种酶。进一步用
32P
标记
mRNA
作杂交实验（用
λlac
中的
取得的
DNA
，与加入乳
糖后不同时间内产生的
32P-mRNA
进行分子杂交）结果表
明加入的乳糖能激发
lac
的
mRNA
的合成。
lac mRNA
极不稳定，
其半衰期仅有
3
分钟，这个特点随着诱导很快的恢复。当诱导物
一除去转录立即停止，在很短的时间内所有的
lac
mRNA
即被降解掉，细胞内的含量恢复到基础水平。
β
-
半乳糖苷酶和透性酶合成是和
lac
mRNA
同时被诱导的，但当除去诱导物
时在细胞中
β
-
半乳糖苷酶和透
性酶要比
lac mRNA
稳定，因此酶的活
性在一段较长的时间内保持被诱导水平。这种对营养供给发生改变
作出迅速反应的调控类
型，不仅提供了代谢新底物的能力，而且习惯于关闭在培养基中实然加入的一些成
份的内
部合成。比如
的
Trp
的合成是通过
Trp
合成酶的作用。如果在细菌生长的
培养基中加入
Trp
的话，那么立即停止
Trp
合成酶的生产。这种作用称为阻遏（
repressi
on
）效应。它使细菌避免合成多余的
物质。
< br>
在细菌中同时存在着诱导和阻遏的现象。诱导是细菌调节其分解底物供给生长的
能力。阻遏是细菌调节其
合成代谢产物的能力。无论是酶作用的小分子底物的调节，还是
酶活性的产生，它们的启动是独自的，小
分子底物称为诱导物（
inducers
）某些物质能阻止酶合成它们本身，此物质就称辅阻遏物（
corepressors
）
。
< br>
诱导和酶阻遏是高度特异的，
只有底物
/
产物或紧密相关的分子才能起作用，
但小分子的活性
并不依赖于和
靶酶的相互作用。
某些诱导物与自然的
β
-
半乳糖苷酶相似，
但
并不能被酶分解，
比如异丙基
-
β
-D-
硫代半乳
糖苷（
isopropylthiogalactoside,IPTG
）
。其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。
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。它的存在表明一
个重要的问题，就是这个控
制系统必须具有某种成份，它不同于靶酶，能识别合适的底物；而它的这种识
别相关底物
的能力也不同于酶。
对诱导物作出反应的这种成份就是阻遏蛋
白，
它由
lacI
编码，
其作用是控制
lacIYA
结构基同的转录，
对环
境作出反应。
三个结构基因转录成单个的
多顺反子
mRNA
。
阻遏蛋白的活性状
态决定了此启动子是否打开
或关闭。在缺乏诱导物时，这些基因不能转录，因为阻遏蛋白
是活性状态结合在操纵基因上。当诱导物存
在时，阻遏物与之结合，变成为失活状态，离
开操纵基因，启动子开始转录，起始于
lacZ
5¢
;
端，终
止于
lacA
的
3¢
端。
诱导物如何控制阻遏蛋白的活性呢？阻遏物对于操纵基因有很高的亲和性，在缺乏诱导物时，
阻遏物总是
结合在操纵基因上，使得邻近的结构基因不能转录。但当诱导物存在时，它和
阻遏物结合形成了一个阻遏
物复合体，不再和操纵基因结合。
右图为
Lac
操纵子（
Lac
operon
）的结构以及负调控图：
（
a
）
Lac
操纵子的结构图
（
b
）无诱导物存在时，阻遏物与操作基因（
operator
< br>）结合使得结构基因不能正常转录
（
< br>c
）诱导物（乳糖或
IPTG
）
存在，与阻遏物结合时阻遏物从操纵基因上下来，
RNA
聚合酶
可通过启动子
和操作基因正常转录出一条多顺反子
mRNA
从可翻译得到三种酶
操纵子控制的重要特
性是阻遏物的双
重性：它既能阻止转录，又能识别小分子诱导物。阻遏物有
2
个结合位点：一个是结合诱导物的，另一个
是结合
操纵基因的。当诱导物在相应位点结合时，它改变了阻遏蛋白的构象，干扰了另一位点的活性。这
种类型的调控叫变构调控。
（
allosteric
control
）
诱导完成一种协同调控（
coordinate regula
tion
）
：所有的一组基因都一道表达或一道关闭。
mRNA
一般总是
从
5
¢
开始转录，
所以诱导总是导致
β
-
半乳糖苷酶，
Lac
透性酶和
Lac
乙酰转移酶按一定顺序出现。<
/p>
此
多顺反子
mRNA
的共同转录解释了为什么在诱导物的不同条件下，
lacZ
、
Y
、
A
三个
基因的产物总保持同
样的当量关系。
诱导触动了
“
开关
”
< br>使基因簇表达。
诱导物交替变换它们的效应，
其它的因子
影响了转录和翻译的绝对水平，
但三个基因之间的关系事先已被它们的结构所决定了。<
/p>
我们要注意操纵子的潜在特点。
Lac
操纵子含有
lacZ
，它编码糖代谢所
必须的
β
-
半乳糖苷酶；含有的
lac
编码透性酶，此酶是负责将底物转达运到细胞中。但操纵子在非
诱导状态时，基因尚未表达，也就不存在
透性酶。那么诱导物开始怎样进入细胞呢？
其实在细胞中透过酶等总是以最低量存在的，足以供给底物开始进
入之需。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，它也保持此表达水平（诱导水平的
0.1%
）
，而有的诱导物是通过
其
它的吸收系统进入细胞的。
3
操纵基因和调节基因的鉴别
野生型的操纵子以被调节的方式进行表达，调节系统若发生突变可能使表达停止或者在没有诱导
物存在时
仍然表达。前者称为不可诱导性（
uninducib
le
）突变；后者对调节没有反应能力，无论诱导物是否存在都
进行表达，故称为组成型突变（
constitutive
mutants
）
。
操纵子调节系统的成份通过突变已被鉴别出来，它们作用于结构基因的表达以及编码区的外侧序列。这些
成份分为二类：以启动子和操纵子，作为调节蛋白（
RAN
聚合酶，阻遏物）靶顺序的通过顺式作用突变而
被鉴定出来。
lac
位点通过反式作用突变被鉴定是为编码阻遏蛋白的基因。
操纵基因是原来通过组成型突变鉴别出的，称为
“Oc”
，其分布特点提供了第一个顺式元件的证据，它是有
功能的，但本身不编码。与
OC
突变相邻接的结构基因以组成
型表达，这是由于突变改变了操纵基因，使
阻遏蛋白不能与之结合。这样阻遏蛋白就不能
阻止
RNA
聚合酶起始转录。从而使操纵子持续转录。
操纵基因只控制与它相邻接的一些
lac
基因。若将第二个
Lac
操纵子导入细菌的
质粒上，它有自己特有的
操纵基因。操纵基因互不干扰。因此如果一个操纵子有一个野生
型的操纵基因，在通常条件下，它将被阻
遏。当第二个操纵子带有
OC
突变时，它将持续表达。
这些
特点表明操纵基因是一个典型的顺式作用位点。操纵基因只控制与其相邻接的基因而不影响存在于细
胞中的其它
DNA
上的等位座位。像
OC
这样的突变称为顺式
-
显
性（
cis-dominant
）
。顺
式作用位点中发生
突变就不能和相关蛋白相结合，当两个顺式作用位点彼此靠得很近时（
如启动子和操纵基因）
，我们通过
互补测验是不能分别突变发生
在那一个位点上，而只有通过它们对表型的影响来加以区别。顺式显性是控
制邻接顺序的
那些
DNA
位点的特性。如果一个控制位点其功能是作为多顺反
子
mRNA
的一部分。它将表
现出顺式
显性的特点。特别表现在控制位点不能和被它调节的基因相分离。从遗传学的观点来看这些位点
< br>和基因是在
DNA
上还是在
RN
A
这并不重要。
lacI-
突变型也可导致持续转录。无论是点突变还是缺失都可产生这样的结果。后者可能是丢失了和
DNA
结合的功能区。
因此与诱导物是否存
在无关。
这种现象是符合负控制系统的。
lac+
基因编码一个阻遏蛋白，
它可以关闭
lacZYA<
/p>
的转录。阻遏蛋白失去和操纵基因结合能力时，则为组成型突变。转录能在启动子上
自由地起始。同时
lacI-
突变由于阻遏
蛋白的失活使
lacZYA
呈组成型表达。
当
lacI-
和
lacI+
二者同时存在于同一个细胞时，通过确定二者的关系可以帮助人们
得出正确的结论。这只
能通过构建部分二倍体（
partial
diploid
）来完成的。即一个拷贝的操纵子位于细胞的主
染色体上，而另一
个放在质粒上，此质粒仅带少量基因，可以独立复制。
在细胞中若既有
lacI+
又有
lacI-
，
则可以正常调节。<
/p>
当除去诱导物时，
结构基因又重新被阻遏。
这表明
lacI+
可以产正常的阻遏物，当诱导物不存在时它
可以反式阻遏
lacI
ZYA+
基因
，按遗传学的观点野生型的可诱
导性对于组成型突变型是显性的。这是负控制的重要标志
。
操纵子非诱导性突变不能都得到表达，它们可以分成两种组
成型突变：
(1)
启动子突变是顺式作用，若这
种突变阻碍了
RNA
聚合酶与
Plac
的结合，也就不能阅读操纵子，因为它不能转录。
(
2) lacI
突变若阻遏物
失去和诱导物结合的能力也会导致
和前者相同的现象。这种突变称为
lacIs
。
这种反式作用对野生型来说是显性的。阻遏蛋白被保持在对操纵基因的识别和
阻碍转录的这种活性状态
中。诱导物是否加入对其没有影响。这是由于细胞中突变的阻遏
物结合在所有的
lac
操纵基因上并阻断转
录，同时还不能取下，野生型阻遏物的存对它也毫无影响。
lacI
突变的特点可以从阻遏蛋白结构的得以解释。在阻遏蛋白上具有两种不同类型
的结合位点。通过这些
结合位点来控制基因的表达以对环境作为反应。
< br>DNA-
结合识别操纵基因。诱导结合位点与小分子诱导物
结合。一旦与诱导物作用使其构象发生改变而失去与操纵基因
DNA
< br>结合的能力。通过
lacI
突变失去某些
活性可以鉴别出阻遏物亚基中的两个结合位点。
DNA-
结合位点的突变是组成型的
（因为阻遏物不能和
DNA
结合来阻断转录）
。诱导物结合位点的突变是不可诱导性的（由于诱导
物不能减少阻遏物和
DNA
的亲和
力）
。
阻遏物功能的一个重要的特点是多
聚体蛋白。在细胞中阻遏蛋白的亚基随机结合成四聚体。当不同的
lacI
等位基因存在时，它们的产物作为亚基结合成异聚四聚体，其特性和同聚四聚体不同。这种亚基之间的
作
用类型是具有多聚体蛋白的性质，被称为等位基因间的互补（
interallelic
complementation
）
。
负的互补（
negative
com
plementation
）发生在某些阻遏蛋白突变体之间。正如在
< br>lacI-d
与
lacI+
基因
的重组
中所见到的一样。此
lacI-d
的突变仅导致阻遏蛋白不能和操纵基因结合。因此它像
lacI-
等位基因一样，使
操纵子呈组成型表达。
由于
lacI-
类型的突变产生的阻遏物没有活性，
它相
对于野生型基因是隐性的，
而
“
-
d”
这个符号表示负互补这种突变类型是显性的。这种突变称反式显
性（
trans-dominant
）
，也称为显性失活
（
dominant
negatives
）
。
这种显性的原因是由于
lacI-d
等位基因产生
一个
“
坏
”
的
亚基不仅它本身不能结合操纵基因的
DNA
，
< br>而且它
还通作为四聚体的一部分阻止四聚体中
“
好
”
的亚基与
DNA<
/p>
结合。这就意味着阻遏蛋白四聚体是作为一个
总体，而不是单个单
体的简单的集合。这对完成阻遏来说是很必要的。在体外将
“
好
”
的亚基和
“
坏
”
的亚基
混合起来也会产生损坏的作
用。
-
-
-
-
-
-
-
-
-
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