【正文】 誘導(dǎo)劑（乳糖或IPTG）存在時(shí)， LacI阻遏蛋白與 lac 操縱子 DNA序列結(jié)合得非常緊密， lac 基因不能進(jìn)行轉(zhuǎn)錄。 例如 異丙基硫代半乳糖苷 (isopropylthiogalactoside，IPTG)就是很強(qiáng)的誘導(dǎo)劑；不被細(xì)菌代謝而十分穩(wěn)定 。多順反子 mRNA在細(xì)菌中是很普遍的。 ④當(dāng)阻遏物與操縱基因結(jié)合時(shí)， lac mRNA的轉(zhuǎn)錄起始受到抑制。 這就是乳糖對 lac操縱子的誘導(dǎo)作用 。 此 ｉ 基因在其自身的啟動子 Pi控制下 ， 低水平 、 組成性表達(dá)產(chǎn)生阻遏蛋白 R， 每個細(xì)胞中僅維持約 10個分子的阻遏蛋白 。 ? β半乳糖苷酶是一種 β半乳糖苷鍵的專一性酶，除能將乳糖水解成葡萄糖和半乳糖。 ? P區(qū)是轉(zhuǎn)錄起始時(shí) RNA聚合酶的結(jié)合部位。 許多調(diào)控蛋白都是 變構(gòu)蛋白 （ allosteric protein） ， 通過與上述類似的方式與效應(yīng)物結(jié)合改變空間構(gòu)像 ， 從而改變活性 ， 起到調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)的作用 。 有兩種： 誘導(dǎo)劑 (inducer)：能引起誘導(dǎo)發(fā)生的分子； 阻遏劑或輔助阻遏劑 (corepressor)：能導(dǎo)致阻遏發(fā)生的分子 。因而凡能與調(diào)控蛋白特異性結(jié)合、從而影響基因轉(zhuǎn)錄 強(qiáng)弱 的序列，不論其對基因轉(zhuǎn)錄的作用是 減弱、阻止或增強(qiáng)、開放，都可稱為操縱區(qū) 。 不少操縱區(qū)都具有類似的對稱性序列 ， 可能與特定蛋白質(zhì)的結(jié)合相關(guān) 。 但現(xiàn)在基因定義是為蛋白質(zhì)或 RNA編碼的核酸序列 ， 而操縱序列并不是編碼蛋白質(zhì)的基因 ， 卻是起著調(diào)控基因表達(dá)強(qiáng)弱的作用 ， 正如啟動序列不叫啟動基因而稱為啟動子一樣 ， 操縱序列就可稱為操縱區(qū) 。 轉(zhuǎn)錄起始第一個堿基（通常標(biāo)記位置為 +1）最常見的是 A；在 10bp附近有 TATAAT一組共有序列，因?yàn)檫@段共有序列是 Pribnow首先發(fā)現(xiàn)的，稱為 Pribnow盒（ Pribnow box）；在 35bp處又有 TTGACA一組共有序列。 操縱子至少有一個啟動子 ， 一般在第一個結(jié)構(gòu)基因 5＇側(cè)上游 ，控制整個結(jié)構(gòu)基因群的轉(zhuǎn)錄 。 ｚ 基因長 3510bp， 編碼含 1170個氨基酸 、分子量為 135,000的多肽 ， 以四聚體形式組成有活性的 β 半乳糖苷酶 ， 催化乳糖轉(zhuǎn)變?yōu)榘肴樘?(allolactose)， 再分解為半乳糖和葡萄糖； ｙ 基因長 780bp，編碼有 260個氨基酸、分子量為 30,000的半乳糖透過酶，促使環(huán)境中的乳糖進(jìn)入細(xì)菌； ａ 基因長 825bp， 編碼 275氨基酸 、 分子量為 32,000的轉(zhuǎn)乙?；?， 以二聚體活性形式催化半乳糖的乙?；?。 各結(jié)構(gòu)基因 頭尾銜接 、 串連排列 ， 組成結(jié)構(gòu)基因群 。 下面就以乳糖操縱子為例子說明操縱子的 最基本的組成元件 （ elements）。 在上述二階段生長細(xì)菌利用乳糖再次繁殖前 ，也能測出細(xì)菌中 ? 半乳糖苷酶活性 顯著增高 的過程 。 人們就是從研究這種現(xiàn)象開始 ， 打開認(rèn)識基因表達(dá)調(diào)控分子機(jī)理的窗口的 。 原核基因表達(dá)調(diào)控的幾個重要概念 ? ? ? ? ? 操縱子學(xué)說 ? 法國巴斯德研究院的 Francois Jacob與 Jacques Monod于 1960年在法國科學(xué)院院報(bào) (Proceeding of the French Academy of Sciences)上發(fā)表了一篇論文，提出乳糖代謝中的兩個基因被一靠近它們的遺傳因子所調(diào)節(jié)。 翻譯后水平 ? 調(diào)控的基本方式 ? 真原核調(diào)控的基本方式都是通過調(diào)控因子： 質(zhì)（主） 和 對基因表達(dá)實(shí)現(xiàn)正控制或負(fù)控制（也稱正調(diào)控和負(fù)調(diào)控） ? 調(diào)控物質(zhì)的化學(xué)本質(zhì) 蛋白質(zhì)、核酸、小分子化合物。 真原核調(diào)控的主要水平（主調(diào)）都在轉(zhuǎn)錄水平 。 ? 組成性基因表達(dá)也不是一成不變的 ， 其表達(dá)強(qiáng)弱也是受一定機(jī)制調(diào)控的 。 這一特點(diǎn)使真核在千變?nèi)f化的環(huán)境下 ， 主要組織或器官仍能維持正常功能 （ “ 處世不驚 ” ） 。 ? 真核生物 尤其是高等真核生物中 ， 激素水平 （ hormone level） 和 發(fā)育階段 （ developmental stage） 是基因表達(dá)調(diào)控的最主要手段 ， 營養(yǎng)和環(huán)境因素的影響力大為下降 。 ? 所以 ， 基因表達(dá)調(diào)控是生物適應(yīng)環(huán)境生存的必需 。 所以調(diào)控體現(xiàn) 1個 “ 快 ” 字 ， 快速適應(yīng)環(huán)境 ， 獲取營養(yǎng) ，合成必需蛋白質(zhì) 、 降解不必要成分 。 ? 但生物基因組的遺傳信息并不是同時(shí)全部都表達(dá)出來的，大腸桿菌基因組含有約 4000個基因，一般情況下只有 5－ 10%在高水平轉(zhuǎn)錄狀態(tài)，其它基因有的處于較低水平的表達(dá)，有的就暫時(shí)不表達(dá)。 典型的基因表達(dá)是基因經(jīng)過轉(zhuǎn)錄、翻譯，產(chǎn)生有生物活性的蛋白質(zhì)的過程。 ? 既然從 DNA到蛋白質(zhì)的過程稱為基因表達(dá) ， 對這個過程的調(diào)節(jié)就稱為基因表達(dá)調(diào)控 （ gene regulation或 gene control） 。 ? ? 改變基因表達(dá)的情況以適應(yīng)環(huán)境 ， 在 原核生物 、 單細(xì)胞生物 中尤其顯得突出和重要 ， 因?yàn)榧?xì)胞的生存環(huán)境經(jīng)常會有劇烈的變化 。 這是長期進(jìn)化 ， 獲得的適應(yīng)應(yīng)變能力 。 ? 不同組織細(xì)胞中不僅表達(dá)的基因數(shù)量不相同，而且基因表達(dá)的強(qiáng)度和種類也各不相同，這就是基因表達(dá)的組織特異性 (tissue specificity)。 ? ? 一個受精卵含有發(fā)育成一個成熟個體的全部遺傳信息 ， 在個體發(fā)育分化的各個階段 ， 各種基因極為有序地表達(dá) ， 一般在胚胎時(shí)期基因開放的數(shù)量最多 ， 隨著分化發(fā)展 ， 細(xì)胞中某些基因關(guān)閉 (turn off)、 某些基因轉(zhuǎn)向開放 (turn on)， 胚胎發(fā)育不同階段 、 不同部位的細(xì)胞中開放的基因及其開放的程度不一樣 ， 合成蛋白質(zhì)的種類和數(shù)量都不相同 ， 顯示出基因表達(dá)調(diào)控在空間和時(shí)間上極高的有序性 ，從而逐步生成形態(tài)與功能各不相同 、 極為協(xié)調(diào) 、 巧妙有序的組織臟器 。 ? 從上所述 ， 不難看出：生物的基因表達(dá)不是雜亂無章的 ， 而是受著 嚴(yán)密 、 精確調(diào)控 的 ， 不僅生命的遺傳信息是生物生存所必需的 ， 而且遺傳信息的表達(dá)調(diào)控也是生命本質(zhì)所在 。 ? ② 適應(yīng)性表達(dá) (adaptive expression)指環(huán)境的變化容易使其表達(dá)水平變動的一類基因表達(dá)。因?yàn)椋? （既不需要，何必轉(zhuǎn)錄）。 ? 在轉(zhuǎn)錄水平上對基因表達(dá)的調(diào)控決定于 DNA的結(jié)構(gòu) 、RNA聚合酶的功能 、 蛋白因子及其他小分子配基 的相互作用 。這二個基因?yàn)?β半乳糖苷酶 (βgalactosidase)和半乳糖苷透過酶(galactoside permease)。 大腸桿菌可以利用 葡萄糖、乳糖、麥芽糖、阿拉伯糖 等作為碳源而生長繁殖，當(dāng)培養(yǎng)基中含有 葡萄糖和乳糖 時(shí)，細(xì)菌 優(yōu)先 利用葡萄糖，當(dāng)葡萄糖耗盡，細(xì)菌停止生長，經(jīng)過短時(shí)間的適應(yīng) ，就能利用乳糖，細(xì)菌繼續(xù)呈指數(shù)式繁殖增長。 這種典型的 誘導(dǎo)現(xiàn)象 ， 是研究基因表達(dá)調(diào)控極好的 模型 。 (1) 結(jié)構(gòu)基因群 操縱子中被調(diào)控的 編碼蛋白質(zhì)的基因可稱為結(jié)構(gòu)基因 (structural gene, SG)。 至少在第一個結(jié)構(gòu)基因 5’ 側(cè)具有 核糖體結(jié)合位點(diǎn) (ribosome binding site, RBS)，因而當(dāng)這段含多個結(jié)構(gòu)基因的 DNA被轉(zhuǎn)錄成 多順反子 mRNA， 就能被核糖體所 識別結(jié)合 、 并起始翻譯 。 ｚ 基因 5’ 側(cè)具有大腸桿菌核糖體識別結(jié)合位點(diǎn) （ RBS） 特征的 ShineDalgarno(SD)序列 ， 因而當(dāng)乳糖操縱子開放時(shí) ， 核糖體能結(jié)合在轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的 mRNA上 。 用 RNA聚合酶與分離的一段 DNA雙鏈混合 ，再加入外切核酸酶去水解 DNA， 結(jié)果只有被 RNA聚合酶識別結(jié)合而被保護(hù)的那段 DNA不被水解 ，由此可以測出啟動子的范圍及其序列 。 不同的啟動子序列不同 ， 與 RNA聚合酶的親和力不同 、 啟動轉(zhuǎn)錄的頻率高低不同 ， 即不同的啟動子起動基因轉(zhuǎn)錄的強(qiáng)弱不同 ， 例如： PL、PR、 PT7屬強(qiáng)啟動子 ， 而 Plac則是較弱的啟動子 。 operon譯為操縱子 ， 即基因表達(dá)操縱的單元之意 。 阻遏蛋白與操縱區(qū)結(jié)合 ， 就妨礙了 RNA聚合酶與啟動子的結(jié)合 及其后 223。 （ 4） 調(diào)控基因 調(diào)控基因 (regulatory gene)是 編碼能與操縱序列結(jié)合的調(diào)控蛋白的基因 。 例如在乳糖操縱子中 ， 調(diào)控基因 lac I位于 Plac鄰近 ， 有 其自身的啟動子和終止子 ， 轉(zhuǎn)錄方向和結(jié)構(gòu)基因群的轉(zhuǎn)錄方向 一致 ， 編碼產(chǎn)生由 347個氨基酸組成的調(diào)控蛋白 R。 二、 乳糖操縱子的表達(dá)調(diào)控 ? 大腸桿菌能以乳糖為唯一碳源生長，這是由于它能產(chǎn)生一套利用乳糖的酶。 ? O區(qū)是阻遏蛋白的結(jié)合部位，其功能是控制結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。 ? β半乳糖苷透過酶的作用是使外界的 β半乳糖苷（如乳糖）能透過大腸桿菌細(xì)胞壁和原生質(zhì)膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。 R以四聚體形式與操縱子 ｏ 結(jié)合 ， 阻礙了RNA聚合酶與啟動子 Plac的結(jié)合 ， 阻止了基因的轉(zhuǎn)錄起動 。 ? 乳糖操縱子的控制模型，其主要內(nèi)容如下： ? ① Z、 Y、 A基因的產(chǎn)物由同一條多順反子的 mRNA分子所編碼。 ⑤誘導(dǎo)物通過與阻遏物結(jié)合，改變它的三維構(gòu)象，使之不能與操縱基因結(jié)合，從而激發(fā) lacmRNA的合成。 ? 多順反子 lac mRNA中的 lacZ， lacY， lacA經(jīng)翻譯生成的產(chǎn)物分別為 LacZ（ β半乳糖苷酶（ βgalactosidase））、 LacY（ β半乳糖苷通透酶（ βgalactoside permease））和 LacA（ β半乳糖苷轉(zhuǎn)乙?；福?thiogalactoside transacetylase））。 Xgal（ 5溴 4氯 3吲哚 β 半乳糖苷 ）也是一種人工化學(xué)合成的半乳糖苷 ， 可被 ? －半乳糖苷酶水解產(chǎn)生蘭色化合物 ， 因此可以用作 ? －半乳糖苷酶活性的指示劑 。當(dāng) IPTG 存在時(shí)， IPTG與LacI阻遏蛋白相互作用，形成 LacI阻遏蛋白－ IPTG復(fù)合物，體外研究表明，該復(fù)合物對 lac 操縱基因的親和性為單獨(dú) LacI阻遏蛋白的親和性的千分之一。 阻抑物 乳糖 轉(zhuǎn)錄 半乳糖苷酶 酶 酶