【文章內容簡介】 ? 當一個 mRNA含有編碼一個以上蛋白質的編碼信息，而且這些蛋白質都是以獨立的多肽被翻譯時，這樣的 mRNA稱之 多順反子 mRNA。多順反子 mRNA在細菌中是很普遍的。 ? 多順反子 lac mRNA中的 lacZ， lacY， lacA經(jīng)翻譯生成的產物分別為 LacZ（ β半乳糖苷酶（ βgalactosidase））、 LacY（ β半乳糖苷通透酶（ βgalactoside permease））和 LacA（ β半乳糖苷轉乙酰基酶（ thiogalactoside transacetylase））。 ? 半乳糖是 lac操縱子轉錄的活性誘導物，人們發(fā)現(xiàn)一個合成的、結構上類似于別乳糖、不能被 β半乳糖苷酶水解的 β半乳糖苷異丙基硫代半乳糖苷（ isopropyl thiogalactoside： IPTG）起著 lac操縱子的一個誘導物的作用，所以 IPTG常用于誘導含有使用了 lac啟動子的質粒載體的細菌中的重組蛋白的表達。 （安慰誘導物） 一些化學合成的 乳糖類似物 ， 不受 ? －半乳糖苷酶的催化分解 ， 卻也能與 R特異性結合使 R構象變化 ， 誘導 lac操縱子的開放 。 例如 異丙基硫代半乳糖苷 (isopropylthiogalactoside，IPTG)就是很強的誘導劑；不被細菌代謝而十分穩(wěn)定 。 Xgal（ 5溴 4氯 3吲哚 β 半乳糖苷 ）也是一種人工化學合成的半乳糖苷 ， 可被 ? －半乳糖苷酶水解產生蘭色化合物 ， 因此可以用作 ? －半乳糖苷酶活性的指示劑 。 IPTG和 Xgal都被廣泛應用在分子生物學和基因工程的工作中 。 ? lac 操縱子受 LacI阻遏蛋白調控。 在沒有誘導劑（乳糖或IPTG）存在時， LacI阻遏蛋白與 lac 操縱子 DNA序列結合得非常緊密， lac 基因不能進行轉錄。當 IPTG 存在時， IPTG與LacI阻遏蛋白相互作用，形成 LacI阻遏蛋白－ IPTG復合物，體外研究表明，該復合物對 lac 操縱基因的親和性為單獨 LacI阻遏蛋白的親和性的千分之一。所以 IPTG作為 lac基因表達的一個誘導劑，起著轉錄去阻遏作用。就象（下圖）表示的那樣，RNA聚合酶的結合部位（ lac操縱基因）也是 LacI阻遏蛋白的結合部位，實驗表明 RNA聚合酶和 LacI阻遏蛋白對操縱基因序列的結合是相互排斥的。 原核生物基因表達的調控 乳糖代謝基因表達調控圖解： (沒有乳糖時 ) Ｒ Ｐ Ｏ lacZ lacY lacA 調節(jié)基因 啟動子 操縱基因 結構基因 RNA聚合酶 信使 RNA 轉錄 翻譯 阻抑物與 操縱基因 結合，結 構基因轉 錄受阻． 阻抑物 原核生物基因表達的調控 乳糖代謝基因表達調控圖解： (有乳糖時 ) Ｒ Ｐ Ｏ lacZ lacY lacA 調節(jié)基因 啟動子 操縱基因 結構基因 RNA聚合酶 信使 RNA 轉錄 翻譯 阻抑物與乳糖結合后構象發(fā)生了改變， 因而不能與操縱基因結合，使得結構 基因進行轉錄。 阻抑物 乳糖 轉錄 半乳糖苷酶 酶 酶 乳糖分解代 謝調控過程 是一個自我 調控過程 2. CAP的正調控 細菌中的 cAMP含量與葡萄糖的分解代謝有關 ， 當細菌利用葡萄糖分解產生能量時 ， cAMP生成少而分解多 ， cAMP含量低；相反 ， 當環(huán)境中無葡萄糖可供利用時 ， cAMP含量就升高 。 細菌中有一種能與 cAMP特異結合的 cAMP受體蛋白CRP(cAMP receptor protein)， 當 CRP未與 cAMP結合時它是沒有活性的 ， 當 cAMP濃度升高時 ，CRP與 cAMP結合并發(fā)生空間構象的變化而活化 ，稱為 CAP(CRPcAMP activated protein)， 能以二聚體的方式 與特定的 DNA序列結合 。 在 lac操縱子的啟動子 Plac上游端有一段序列與 Plac部分重疊的序列 ， 能與 CAP特異結合 ，稱為 CAP結合位點 （ CAP binding site） 。 CAP與這段序列結合時 ， 可 增強 RNA聚合酶的轉錄活性 ， 使轉錄提高 50倍 。 相反 ， 當有葡萄糖可供分解利用時 ， cAMP濃度降低 ， CRP不能被活化 ，lac操縱子的結構基因表達下降 。 由于 Plac是 弱啟動子 ， 單純因乳糖的存在發(fā)生去阻遏使 lac操縱子轉錄開放 ， 還不能使細菌很好利用乳糖 ， 必需同時有 CAP來加強轉錄活性 ，細菌才能合成足夠的酶來利用乳糖 。 lac操縱子的強誘導 既需要有乳糖的存在又需要沒有葡萄糖可供利用 。 通過這機制 ， 細菌是優(yōu)先利用環(huán)境中的葡萄糖 ， 只有無葡萄糖而又有乳糖時 ，細菌才去 充分利用乳糖 。 細菌對葡萄糖以外的其他糖 （ 如阿拉伯糖 、半乳糖 、 麥芽糖等 ） 的利用上也有類似對乳糖利用的情況 ， 在含有編碼利用阿拉伯糖的酶類基因群的 阿拉伯糖操縱子 （ ara operon） 、 半乳糖操縱子 （ gal operon） 中也有 CAP結合位點 ，CAP也起類似的 正性調控作用 。 所以 CAP的通用名稱是 分解代謝基因激活蛋白 （ catabolic gene activator protein） 。 不難看出： CAP結合位點就是一種起 正性調控作用的 操縱子 ， CAP則是對轉錄起正性作用的調控蛋白 ── 激活蛋白 ， 編碼 CRP的基因也是一個調控基因 ， 不過它并不在 lac操縱子的附近 ，CAP可以對 幾個操縱子 都起作用 。 從上所述 ， 乳糖操縱子屬于 可誘導操縱子（ inducible operon） ， 這類操縱子通常使是關閉的 ， 當受效應物作用后 誘導開放轉錄 。 這類操縱子使細菌能適應環(huán)境的變化 ， 最有效地利用 環(huán)境能提供的能源底物 。 乳糖操縱子的誘導 色氨酸操縱子的表達調控 色氨酸是構成蛋白質的組分 ， 一般的環(huán)境難以給細菌提供足夠的色氨酸 ， 細菌要生存繁殖通常需要自己經(jīng)過 許多步驟合成色氨酸 ， 但是一旦環(huán)境能夠 提供色氨酸 時 ， 細菌就會充分利用 外界的色氨酸 、 減少或停止合成色氨酸 ，以減輕自己的 負擔 。 細菌所以能做到這點是因為 有色氨酸操縱子 （ trp operon） 的調控 。 trp操縱子的結構 ? trp操縱子的結構見下圖：五個結構基因（ E、 D、 C、 B、 A）分別編碼從分支氨酸起始合成色氨酸途徑的酶或酶亞基。在結構基因之前為調控區(qū)域，包括啟動子區(qū)（ P）、操縱區(qū)（ O）、前導肽編碼區(qū)（ L）和弱化子區(qū)（ a）。 ? 弱化子（衰減子）：在 trpE與操縱基因之間有一段前導序列 L（ 162bp），它能編碼出一個內含兩個并連的 trp的 14肽，由于這兩個 trp的合成速度能控制核糖體在 mRNA上的移動，使得前導序列的轉錄產物 mRNA可形成特殊的結構，類似轉錄終止信號，因此編碼該結構區(qū)域的基因被稱為弱化子（衰減子）。 ? 在 trpA之后有兩個終止信號 t和 t180。，其中 t180。為 ?因子所識別，因此 ?因子也參與了調控。 ? Trp操縱子的調節(jié)基因（ trpR）產生輔阻遏蛋白，遠離 trp操縱子。 1. 色氨酸操縱子的結構 trp操縱子的調控： 啟動子調控 —— 阻遏系統(tǒng) 弱化子 （ 衰減子 ） 調控 2. 阻遏蛋白的負調控 合成色氨酸所需要酶類的 基因 E、 D、 C、 B、A等頭尾相接串連排列組成結構基因群 ， 受其上游的啟動子 Ptrp和操縱子 ｏ 的調控 ， 調控基因trpR的位置 遠離 Pｏ 結構基因群 ， 在其自身的啟動子作用下 ， 以組成性方式低水平表達其編碼分子量為 47000的調控蛋白 R， R并沒有與 ｏ 結合的 活性 ， 當環(huán)境能提供足夠濃度的色氨酸時 ，R與色氨酸 結合后構象變化而活化 ， 就能夠與 ｏ特異性親和結合 ， 阻遏結構基因的轉錄 。 色氨酸操縱子的可阻遏調控 因此色氨酸操縱子屬于一種 負性調控的 、可阻遏的操縱子 （ repressible operon） ， 即這操縱子通常是 開放轉錄 的 ， 有效應物 （ 色氨酸為阻遏劑 ） 作用時則阻遏關閉轉錄 。 細菌不少生物合成系統(tǒng)的操縱子都屬于這種類型 ， 其調控可使細菌處在生存繁殖 最經(jīng)濟最節(jié)省 的狀態(tài) 。 3. 弱化子及其作用 實驗觀察表明：當色氨酸達到 一定濃度 、但還沒有 高到能夠活化 R使其起阻遏作用的程度時 ， 產生色氨酸 合成酶類的量已經(jīng)明顯降低 ，而且產生的酶量與色氨酸濃度呈負相關 。 仔細研究發(fā)現(xiàn)這種調控現(xiàn)象與色氨酸操縱子 特殊的結構有關 。 在色氨酸操縱子 Ptrpｏ 與第一個結構基因trpE之間有 162bp的一段先導序列 （ leading sequence， L） ， 實驗證明當色氨酸有一定濃度時 ， RNA聚合酶的轉錄會 終止在這里 。 這段序列中含有編碼由 14個氨基酸組成的短肽的開放閱讀框 ， 其序列中有 2個色氨酸 相連 ，在此開放閱讀框前有核糖體識別結合位點 （ RBS）序列 ， 提示這段短開放閱讀框在轉錄后是能 被翻譯的 。 mRNA前導區(qū)序列分析 trp前導