乳糖操纵子调控机制论文

乳糖操纵子 【摘要】本文主要从操纵子的概念着手，简要介绍关于操纵子的基本结构，结构基因群、启动子、操纵基因、调控基因和终止子的结构和基本功能，并介绍了乳糖对乳糖操纵子的诱导调控机制。 【关键词】 乳糖操纵子 负性调控 操纵子学说是关于原核基因结构及其表达调控的学说，由法国巴斯德研究所著名科学家的Monod和Jacob在1961年首先提出[1]。他们以对乳糖操纵子的研究，通过大量的试验及分析建立了现在已经被人们广泛接受的乳糖操纵子控制模型[2]。后来人们在大肠杆菌中又陆续发现了色氨酸操纵子、组氨酸操纵子、半乳糖操纵子、阿伯糖操纵子等多种操纵子,从而不断的充实和完善了被誉为生命第三原理的基因调控理论,在这个理论中提出的操纵子概念也被人们普遍接受和证实。 1.乳糖操纵子模型 主要内容有：（1）Z、Y、A基因的产物由同一条多顺反子的mRNA分子所编码；（2）该mRNA分子的启动区（P）[3]位于阻遏基因（I）与操纵区（O）之间，不能单独起始半乳糖苷酶和透过酶基因的高效表达；(3)操纵区是DNA上的一小段序列（仅为26bp），是阻遏物的结合位点；（4）当阻遏物与操纵区相结合时，lac mRNA的转录起始受到抑制；（5）诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，使之不能与操纵区相结合，从而激发lac mRNA的合成。有人就是说，有阻遏物存在时，操纵区没有被阻遏物占据，所以启动子能够顺利起始mRAN的转录[4]。 2．乳糖操纵子的基本结构 2.1结构基因群 操纵子中被调控的编码蛋白质的基因称为结构基因。一个操纵子中含有1个以上的结构基因,多的可达十几个,各结构基因头尾衔接、串连排列,组成结构基因群。 乳糖操纵子含有Z、Y和A共3个结构基因[5]。Z基因长3510bp,编码含1170个氨基酸、分子量为135000的多肽,以四聚体形式组成有活性的β-半乳糖苷酶,催化乳糖转变为别乳糖（也称异乳糖）,再分解为半乳糖[6]和葡萄糖。Y基因长780bp,编码有260个氨基酸、分子量为30000的半乳糖透过酶,促使环境中的乳糖进人细菌。A基因长825bp,编码有275个氨基酸、分子量为32000的转乙酞基酶,二聚体活性形式催化半乳糖的乙酞化。基因Z 的5’侧具有大肠杆菌核糖体识别结合位点特征的Shan-Dagano(SD)序列[7],因而当乳糖操纵子开放时,核糖体能结合在转录产生的mRNA上。由于Z、Y和A三个基因头尾相接,上一个基因的翻译终止码靠近下一个基因的翻译起始码,因而同一个核糖体能沿此转录生成的多顺反子mRNA移动,在翻译合成了上一个基因编码的蛋白质后、不从mRNA上脱落下来而继续沿mRNA移动合成下一个基因编码的蛋白质,依次合成这个基因群所编码的蛋白质。 2.2启动子[8] 启动子是指能被聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段DNA序列。它含有RNA聚合酶特异性结合和转录起始所需的保守序列位点，启动子本身不被转录。操纵子至少有个启动子,一般在第二个结构基因5‘侧上游,控制整个结构基因一群的转录。 虽然不同的启动子序列有所不同,但比较已经研究过的上百种原核生物的启动子的序列,发现有一些共同的规律,它们一般长40-60bp,含A-T碱基对较多,某些段落是很相似的,这些相似的保守性段落称为共有性序列。 启动子一般可分为识别、结合和起始三个区段。转录起始第一个碱基(通常标记+1)位置为最常见的是A。在-10bp附近有TATAAT一组共有序列,因为这段共有序列是首先发现的,称为Pribnow框[9]。在-35bp处又有TTGACA一组共有序列。不同的启动子序列不同,与聚 合酶的亲和力不同,启动转录的频率高低不同,即不同的启动子起动基因转录的强弱不同,例如PL、PR、PT7属强启动子,而PLac则是较弱的启动子。 2.3操纵基因 操纵基因[10]是指能被调控蛋白特异性结合的一段DNA序列。操纵基因常与启动子邻近或与启动子序列重叠,当调控蛋白结合在操纵基因序列上,会影响其下游基因转录的强弱。乳糖操纵子的操纵基因序列位于启动子与被调控的基因之间,部分序列与启动子序列重叠。研究发现这段双链DNA具有回文样的对称性一级结构，能形成十字形的茎环构造。不少操纵子都具有类似的对称性序列,可能与特定蛋白质的结合相关。 2.4调控基因 调控基因[11]是编码能与操纵序列结合的调控蛋白的基因。与操纵子结合后能减弱或阻止其调控基因转录的调控蛋白称为阻遏蛋白,其介导的调控方式称为负性调控与操纵子结合后能增强或启动其调控基因转录的调控蛋白称为激活蛋白,所介导的调控方式称为正性调控。 某些特定的物质能与调控蛋白结合,使调控蛋白的空间构象发生变化,从而改变其对基因转录的影响,这些特定物质称为效应物,其中凡能引起诱导发生的分子称为诱导剂,能导致阻遏发生的分子称为阻遏剂或铺助阻遏。 乳糖操纵子中,调控基因Rlac位于Plac邻近,有其自身的启动子和终止子,转录方向和结构基因群的转录方向一致,编码产生由347个氨基酸组成的调控蛋白R。在环境没有乳糖存在的情况下,R形成分子量为152 000的活性四聚体,能特异性与操纵基因O紧密结合,从而阻止利用乳糖的酶类基因的转录,所以R是乳糖操纵子的阻遏蛋白。当环境中有足够的乳糖时,乳糖受β一半乳糖晋酶作用转变为异乳糖,异乳糖与R结合,使R的空间构象变化,四聚体解聚成单体,失去与操纵基因特异性紧密结合的能力,从而解除了阻遏蛋白的作用,使其后的基因得以转录合成利用乳糖的酶类。在这过程中乳糖实际起作用的是别乳糖就是诱导剂,与结合,起到去阻遏作用,诱导了利用乳糖的酶类基因的转录。许多调控蛋白都是变构蛋白,通过与上述类似的方式与效应物结合改变空间构象,从而改变活性,起到调节基因转录表达的作用 2.5终止子 终止子[12]是给予聚合酶转录终止信号的序列，它是基因DNA分子中决定转录产物3’-OH端、酶分子停止聚合，释放出已合成RNA分子的位点。在一个操纵子中至少在结构基因群最后一个基因的后面有一个终止子。 原核生物的终止子结构分为两种主要类型：①内在终止子，是一类不依赖rho因子的终止子（简单终止子）；②依赖rho因子的终止子。 不同的终止子的作用也有强弱之分,有的终止子几乎能完全停止转录,有的则只是部分终止转录,一部分聚合酶能越过这类终止序列继续沿移动并转录。如果一串结构基因群中间有这种弱终止子的存在,则前后转录产物的量会有所不同,这也是终止子调节基因群中不同基因表达产物比例的一种方式。 以上5种元件是每一个操纵子必定含有的其中启动子、操纵子位于紧邻结构基因群的上游,终止子在结构基因群之后,它们都在结构基因的附近,只能对同一条链上DNA的基因表达起调控作用,这种作用在遗传学实验上称为顺式作用,启动子、操纵子和终止子就属于顺式作用元件[13]。调控基因可以在结构基因群附近,也可以远离结构基因,它是通过其基因产物—调控蛋白来发挥作用的,因而调控基因不仅能对同一条链上DNA的结构基因起表达调控作用,而且能对不在一条链上DNA的结构基因起作用,在遗传学实验上称为反式作用,调控基因就属于反式作用元件[14],其编码产生的调控蛋白称为反式调控因子。由此,基因表达调控机理的关键在蛋白质与核酸的相互作用上。 3乳糖操纵子的表达调控 3.1乳糖的诱导作用 乳糖作为原核细胞的常用碳源,是乳糖操纵子控制的细菌自身系列酶的天然底物,对乳糖操纵子具有天然的诱导作用[15-16]。当细菌在有葡萄糖的培养基中生长时，不能代谢乳糖，因为缺少乳糖代谢的酶。当生长在没有葡萄糖只有乳糖的培养基中时，代谢乳糖的每两从几个分子迅速增加近千倍即细菌在短时间内合成了能够利用乳糖的一系列酶，具备了利用乳糖作为碳源的能力，在这种培养基上生存下来。这就是乳糖对操纵子的诱导作用。 细菌获得的这一能力的原因是在乳糖的诱导作用下开启了乳糖操纵子，表达了与代谢乳糖相关的一系列酶所致。 3.2乳糖操纵子的调控机制 当培养基中没有乳糖时，存在于操纵子上游的调节基因编码表达的阻遏蛋白结合到操纵子中的操纵基因上，阻止了结构基因的的表达lac基因被调节基因编码表达的阻遏蛋白所阻遏，此时，在细胞中只有几个β-半乳糖苷酶分子。但将大肠杆菌转到乳糖培养基中时，由于诱导物分子结合在阻遏蛋白的特异部位，引起阻遏蛋白构象变化，不能结合到操纵基因上，是RNA聚合酶能够正常转录存在于从操纵子的结构基因，及操纵子被诱导表达，β-半乳糖苷酶分子数量迅速增加，在这个系统中的诱导物分子不是乳糖本身，而是乳糖的同分异构体—异乳糖，因为乳糖进入大肠杆菌细胞后被转化成了异乳糖。 由于乳糖作为细胞代谢的能源,其浓度是变化的,诱导条件不易掌握[17] ,其本身作为一种碳源可以被菌体代谢利用,因而对于菌体的生理及代谢也有一定程度的影响。在实验室中为了准确的得到结果，常常用能被酶识别但不能被分解的半乳糖苷化合物作为诱导剂，如异丙基-β-D-硫代半乳糖苷（简称IPTG）。IPTG是一种非常高效的乳糖启动子诱导剂,但由于其具有潜在的毒性[18],对菌体生长具有一定的抑制作用,并且价格昂贵,因而不适宜在发酵罐中进行基因工程产品的规模化生产。IPTG作为诱导剂,其诱导的机制不同于乳糖。IPTG可以直接进入大肠杆菌细胞内部而发挥诱导作用,且它是一种非代谢性的诱导物,不会被菌体所消耗,只需极少量的存在就能稳定地诱导乳糖启动子的转录;乳糖却需要借助于乳糖透过酶[19]的作用进入细胞,然后经过β-半乳糖苷酶的作用转化为异乳糖(Allolactose)才能起到诱导剂的作用[20-21]。 综上所述,乳糖操纵子属于可诱导操纵子,这类操纵子通常是关闭的,当受效应物作用后诱导转录起始。这类操纵子使细菌能适应环境的变化,最有效地利用环境能提供的能源物质。 [1]孙乃恩 ，孙东旭，朱德旭等，《分子遗传学》，南京大学出版社，1990:286 [2]Jacob, F. and Monod,J.”Genetic Regulatory Mechanisms in the Synthesi of Proteins.” J.Mol. Biol.1961,3:318~356 [3]刘祖洞,江绍慧1遗传学[M]1北京:高等教育出版社,1994:270~2711 [4]朱玉贤，李毅，《现代分子生物学》（第二版），高等教育出版社,2002.7,2:201~202 [5] 张玉静,《分子遗传学》，北京科学出版社，2004.4:231~249 [6] 韩贻仁,《分子细胞生物学》， 北京科学出版社，2001.3.447~452 [7] 韦弗（美），《分子生物学》（影印版），北京科学出版社， 2008.8.175~190 [8] 朱乾浩 ,《转座子在植物基因分离中的应用研究进展》，《生物工程进展》,1996，Vol.16,NO.2 [9]赵亚华，《基础分子生物学教程》,科学出版社，2006:220~221 [10] 李汝祺，《中国大百科全书·生物学分册》北京:中国大百科全书出版社,1983:791 [11] 广川秀夫(日)，胡宝华译，《生物工程名词解释》，化学工业出版社,1991:61 [12]褚启人，《遗传的结构与功能》，上海科学技术出版社,1980:317~319 [13]张飞雄主编，《普通遗传学》，科学出版社，2004：197~198. [14]张飞雄主编，《普通遗传学》，科学出版社，2004：197~198.