原核生物基因调控：乳糖操纵子

来源公众号：bioinfotec　作者：bioinfotec

在原核生物中，基因调控主要发生在转录起始阶段。也就是说，基因表达在转录开始时就受到调控的影响。这种调控通常发生在RNA聚合酶与启动子结合的过程中，进而影响一些辅助蛋白质对识别位点的结合。

这些辅助蛋白可以通过以下两种方式来调控启动子区域：

在操纵子（operons）结构中，操纵基因（operator）就位于启动子旁边，调控蛋白会结合在这里，从而控制整个操纵子的功能。

什么是操纵子？

操纵子是一组被共同调控并由一个启动子（promoter）控制的基因。这一遗传单位包括一个启动子、一个操纵基因以及一个或多个结构基因，它们会被一起转录成一条mRNA。

操纵子主要存在于原核生物（例如细菌）中，也在某些真核生物（如秀丽隐杆线虫 Caenorhabditis elegans）中发现过。

操纵子的表达可以被“打开”或“关闭”，这种机制是细胞应对环境变化的重要适应方式，它可以帮助细胞高效地调整自身代谢和行为。

历史

1961年，法国科学家François Jacob和Jacques Monod在巴斯德研究所首先揭示了细菌基因以操纵子的方式组织。

通过对大肠杆菌乳糖操纵子（lac operon）的研究，他们发现，大肠杆菌中所有编码乳糖代谢酶的结构基因排列在一起，归属于一个操纵子，并由一个共同的启动子（lac 启动子）调控。

他们因此项研究获得了1965年诺贝尔生理学或医学奖。

在细菌中，许多编码蛋白质的基因常常会聚集在一起组成一个操纵子，这些操纵子作为一个整体进行转录，并受到统一调控。

François Jacob和Jacques Monod提出的操纵子模型包含三个基本组成部分：

乳糖操纵子

大肠杆菌的乳糖操纵子是由三个结构基因组成的基因簇，这些基因编码参与乳糖代谢的蛋白质，同时也包含调控该操纵子表达的DNA序列。

在乳糖操纵子中，结构基因包括：

这三个结构基因共用一个启动子 Plac（promoter for lac genes），位于这些基因的上游（即DNA序列方向的5’端），该启动子是RNA聚合酶的结合位点，从这里开始转录。

此外，还存在：

lacI 基因有自己的启动子 PlacI，RNA聚合酶在此结合并转录lacI mRNA，从而合成阻遏蛋白（LacI）的单体。

这四个lacI单体蛋白会组装成一个活性四聚体（tetramer），这个四聚体能牢固地结合到操纵位点 Olac 上，阻止lacZYA的转录。

乳糖操纵子激活/关闭的情况

在没有乳糖时，大肠杆菌细胞几乎不表达 lacZ、lacY、lacA 这三个基因产物（即相关酶的含量极低）。但是一旦乳糖出现，细胞内这三种酶的表达量就会显著升高，而且是协调一致地增加。因此这些酶被称为可诱导酶，整个过程称为诱导（induction）。

其实，在细胞中，即使未被诱导，也会有极少量 β-半乳糖苷酶存在。它可以把乳糖转化为异乳糖（allolactose），而异乳糖就是真正的诱导物（inducer）。

乳糖缺失时：lac操纵子关闭

当环境中没有乳糖时，阻遏蛋白紧密结合操纵子，RNA聚合酶无法启动转录，lac操纵子不表达。这样细胞不会浪费能量去制造不需要的乳糖代谢酶。

乳糖存在且葡萄糖浓度低时：lac操纵子激活

lac操纵子的高水平转录需要一种叫做catabolite activator protein（CAP）或cAMP受体蛋白（CRP）的激活蛋白。CRP本身不能直接结合DNA，必须与cAMP形成复合物后才能结合lac启动子上游，促进RNA聚合酶结合并增强转录。cAMP的水平受环境中葡萄糖浓度的调控。

因此，为了让lac操纵子表达，需要两个条件同时满足：

乳糖被转化为allolactose（一种与乳糖结构相似的二糖），allolactose作为诱导物结合阻遏蛋白，导致阻遏蛋白从操纵子脱落，允许RNA聚合酶结合并启动转录。
细胞内cAMP浓度升高并与CRP结合形成复合物，结合到lac操纵子启动子附近，促进RNA聚合酶更有效地结合，增强转录效率。

当葡萄糖缺乏时，cAMP水平升高，与CRP结合形成复合物，这促进lac操纵子的转录，使细菌能利用乳糖作为替代碳源。

葡萄糖存在时：lac操纵子被抑制

葡萄糖丰富时，细胞优先利用葡萄糖，腺苷酸环化酶活性受抑制，导致cAMP浓度降低，CRP无法结合DNA。

即使乳糖存在，缺乏CRP激活，lac操纵子转录也会较弱或关闭，从而节省细胞能量。

总结

条件	结果
无乳糖，无葡萄糖	阻遏蛋白结合操纵子，lac基因不表达
无乳糖，有葡萄糖	阻遏蛋白结合操纵子，lac基因关闭
有乳糖，葡萄糖缺乏	阻遏蛋白脱落，CRP-cAMP激活转录，lac基因高表达
有乳糖，有葡萄糖	阻遏蛋白脱落，但CRP未激活，lac基因弱表达