从遗传学的角度如何说明乳糖操纵子?

从遗传学的角度如何说明乳糖操纵子?
从遗传学的角度如何说明乳糖操纵子?

从遗传学的角度如何说明乳糖操纵子?
在原核生物中,通常是几个作用相关的基因在染色体上串连排列在一起,由同一个调控系统来控制.这样的一个整体称为一个操纵元(operon).
在原核生物中,当几种酶参与同一个代谢途径时,往往这几个基因同时被转录为一个多顺反子mRNA（图 乳糖操纵元）.而真核生物基因都是转录成单顺反子mRNA的,所以真核生物中没有这种调控机制.
基因表达产物有的用于降解代谢途径,有的用于合成代谢途径.这两种代谢途径的调控方式是不同的.在降解代谢途径中,反应底物（被降解的物质）决定参与降解反应的酶是否需要合成；而在合成代谢途径中,由合成反应的终产物调节合成酶基因的表达.
所以,操纵元又可以分为可诱导(inducible)操纵元和可阻遏(repressible)操纵元.可诱导操纵元主要编码分解代谢途径中所需要的酶,这些基因的表达受分解底物的调控.可阻遏操纵元主要编码合成代谢途径中所需要的酶,这些基因的表达受合成终产物的调控.
正调控（positive regulation）和负调控（negative regulation）
如果调节蛋白不存在时,基因是关闭的,加入某种调节蛋白后,基因开始表达,这种调控系统成为正调控.正调控系统中的调节蛋白称为诱导蛋白（inducer）.诱导蛋白与基因启动子DNA序列结合,激活基因启动转录.
在调节蛋白不存在时,基因是表达的；加入某种调节蛋白后,基因的表达被关闭,这样的调控机制称为负调控.负调控系统中的调节蛋白称为阻遏蛋白（repressor）.阻遏蛋白分子与基因启动子DNA序列结合,阻碍RNA聚合酶的工作,阻止mRNA的转录,使基因处于关闭状态.
在原核生物中,关于E.coli乳糖代谢的调控机制研究得最为清楚.以E.coli的乳糖操纵它为例来介绍一般操纵元的调控机制.
乳糖操纵元的负调控
在正常情况下,E.coli是以葡萄糖作为碳源的,在没有葡萄糖,只有乳糖存在的条件下,E.coli也能以乳糖为碳源而生存.
葡萄糖是单糖,E.coli利用它最为方便和经济.乳糖是双糖,是葡萄糖和半乳糖的复合物（图乳糖、半乳糖和葡萄糖）.以乳糖为碳源必须先将乳糖分解为葡萄糖和半乳糖,再将半乳糖转化为葡萄糖,这就需要额外的酶.
β—半乳糖苷酶,将乳糖分解成半乳糖和葡萄糖
半乳糖渗透酶,帮助细菌从培养基中摄取乳糖
半乳糖苷转乙酰酶,作用不明.
在有葡萄糖存在时,细菌体内的这三种酶含量很低.每个细胞中只有3－5个分子的β—半乳糖昔酶.当培养基中没有葡萄糖而有乳糖存在时,这三种酶的量急剧增加,2－3分钟内即可增加1000倍以上,而且三种酶成比例增加.一旦乳糖用完,在2－3分钟内这三种酶的量又很快下降到本底水平.
lacZ、lacY、lacA分别为三个结构基因.
O为操纵子,P为起动子.
I为调控基因.I编码一种蛋白质,称为阻遏蛋白.当细菌以葡萄糖为碳源生存时,阻遏蛋白与O结合,关闭三个结构基因,使之不能被转录.当细菌必须利用乳糖作为碳源时,乳糖的一种代谢产物——别乳糖,与阻遏蛋白结合,改变阻遏蛋白的构象,使阻遏蛋白从O上解离下来,从而打开三个结构基因,使之得以转录成mRNA.乳糖用完后,别乳糖的浓度急剧下降,阻遏蛋白不再与别乳糖结合,又与O结合,阻止RNA聚合酶的工作,立刻关闭结构基因（图 乳糖操纵元的负调控）.
原核生物中,大多数的基因都被组织在操纵元中,受到类似的调控.
乳糖操纵元的正调控
在细菌细胞内,ATP在腺苷酸环化酶的作用下转变成环式AMP(cyclic adenosine monophosphate, cAMP).细胞内还有一种代谢激活蛋白(catabolite-activating protein,CAP)存在.它是cAMP的受体蛋白(cyclic Amp receptor protein, CRP).
cAMP与CAP结合,形成cAMP-CAP复合物.
CAMP-CAP复合物是乳糖操纵元的正调控因子.
当cAMP-CAP复合物与位于乳糖操纵元启动子(p)区域的CAP结合序列相结合时,使启动子区域的DNA序列弯曲成新的构型,这种新构型有利于提高RNA聚合酶的工作效率（图 乳糖操纵元的正调控）.
当细胞中既有别乳糖与阻遏蛋白结合,又有cAMP-CAP复合物与启动子DNA序列结合时,乳糖操纵元的转录效率最高.
但是,当细胞内有葡萄糖存在时,葡萄糖抑制腺苷酸环化酶的活性,不能形成cAMP,使得细胞中cAMP的水平下降,CAP不能与cAMP形成复合物,就不能与CAP结合序列结合,这样就降低转录效率.
所以,乳糖操纵元的表达调控实际上是正调控和负调控协同作用的.
乳糖操纵元模型有三个基本假定：
1、调节基因编码的阻遏蛋白是可以在细胞中扩散的反式调控因子；
2、操纵子（o）是调控序列,不编码蛋白质；
3、操纵子（o）是顺式调控元件,邻近受其控制的结构基因.
基因表达调控元件的突变
如果调节基因I发生突变,I＋→I—,失去编码阻遏蛋白的功能,或者编码的阻遏蛋白构型发生变化,不能与操纵子结合,从而使操纵元不管有无乳糖存在都一直在表达（图 乳糖操纵元的组成型突变）.
这种不管细胞内需要不需要其编码产物,这个基因都在表达的状况称为组成型表达(constitutive expression),这样的基因突变称为组成型突变(constitutive mutant).
与组成型表达相对应的概念是特异性表达(specific expression).
如果操纵元中的操纵子序列发生突变,O→OC,使操纵子DNA序列不能与阻遏蛋白结合,也会使操纵元由特异性表达转变为组成型表达.
表 乳糖操纵元不同基因型在有无乳糖存在时的表现型
组别
基因型
β－半乳糖苷酶活性
有乳糖
无乳糖
A
I + O + Z +
+
-
I + O + Z -
-
-
I - O + Z ＋
+
+
I + O C Z +
+
+
B
I - O + Z + /F ' I +
+
-
I + O C Z + /F'O +
+
+
C
I + O + Z + /F'I -
+
-
I + O + Z + /F'O C
+
-
D
I S O + Z +
-
-
I S O + Z + / F ' I +