摘要：介紹了乳糖操縱子的基本結構、結構基因群、啟動子、操縱基因、調控基因和終止子的結構和基本功能；並介紹了乳糖操縱子通過阻逼蛋白的負性調控和通過CAP的正性調控的過程和機理。
關鍵詞：乳糖操縱子、結構、調控
高中生物教材中的微生物代謝的調節，以大腸桿菌米乳糖苷酶的誘導合成過程為例，簡單介紹了酶合成的調節機理，其內容就是法國分子生物學家雅各布和莫諾於1961年提出的「乳糖操縱子」學說，其本質屬於原核生物基因表達的調控。但因篇幅所限，教材對此介紹過於簡單，使得不少學生和教師對此存在較多疑問，下面對此做了較為詳細的介紹。
生物體內每個體細胞都含有該物種的一整套基因，但是，這些基因並不是同時都在表達。比如單細胞的細菌，能夠根據環境的變化，開啟或關閉某些基因，以便迅速合成它所需要的蛋白質，停止合成它不需要的蛋白質。生物體內的基因之所以能夠有序地表達，是因為細胞內存在著對基因表達的調控機制，這種調控機制是生物體所不可缺少的。
大腸桿菌一般是將葡萄糖作為碳元素的來源。但是，雅各布和莫諾發現，當大腸桿菌生活的環境中沒有葡萄糖而有乳糖時，大腸桿菌就會迅速合戲與乳糖代謝有關的3種酶：一種是β-半乳糖苷透性酶，它促使乳糖通過細胞膜進入細胞；另一種是β-半乳糖苷酶，催化乳糖水解成半乳糖和葡萄糖；第三種是β-半乳糖苷轉乙醯基酶（也稱硫代半乳糖苷轉乙醯基酶）。在這3種酶的作用下，大腸桿菌就能夠將乳糖分解成葡萄糖和半乳糖並加以利用。當從大腸桿菌生活的環境中去除乳糖後，這3種酶的合成就會停止。
從上面的現象可以看出，大腸桿菌能夠根據周圍環境中有沒有乳糖，來決定是否合成半乳糖苷酶。我們知道，酶的合成是受特定的基因控制的，半乳糖苷酶的合成是半乳糖苷酶基因表達的結果。由此可見，乳糖對半乳糖苷酶基因的表達起到了誘導作用。那麼，這種誘導作用是如何進行的呢？雅各布和莫諾提出了操縱子和操縱基因的概念，很好的解釋了這種誘導和調控過程，他們的操縱子學說使得以從分子水平認識基因表達的調控，是一個劃時代的突破，因此他們2人於1965年榮獲諾貝爾生理學或醫學獎。
1.「乳糖操縱子」的基本組成
1.1 結構基因群
操縱子中被調控的編碼蛋白質的基因稱為結構基因。一個操縱子中含有2個以上的結構基因，多的可達十幾個，各結構基因頭尾銜接、串連排列，組成結構基因群。
如圖1所示乳糖操縱子含有Z、Y和A共3個結構基因。乙基因長3510bp，編碼含1170個胺基酸、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，催化乳糖轉變為別乳糖（也稱異乳糖），再分解為半乳糖和葡萄糖；Y基因長780 bp，編碼有260個胺基酸、分子量為30000的半乳糖透過酶，促使環境中的乳糖進入細菌；A基因長825 bp，編碼275個胺基酸、分子量為32000的轉乙醯基酶，以二聚體活性形式催化半乳糖的乙醯化。Z基因5"側具有大腸桿菌核糖體識別結合位點特徵的Shan-Dagano（SD）序列，因而當乳糖操縱子開放時，核糖體能結合在轉錄產生的mRNA上。由於乙、Y和A3個基因頭尾相接，上一個基因的翻譯終止碼靠近下一個基因的翻譯起始碼，因而同一個核糖體能沿此轉錄生成的多順反子mRNA移動，在翻譯合成了上一個基因編碼的蛋白質後，不從mRNA上脫落下來而繼續沿mRNA移動合成下一個基因編碼的蛋白質，依次合成這個基因群所編碼的蛋白質。
1.2 啟動子
啟動子是措能被RNA聚合酶識別、結合併啟動基因轉錄的一段DNA序列。操縱子至少有1個啟動子，一般在第一個結構基因5'側上遊，控制整個結構基因群的轉錄。
雖然不同的啟動子序列有所不同，但比較已經研究過的上百種原核生物的啟動子的序列，發現有一些共同的規律，它們一般長40-60 bp，含A-T鹼基對較多，某些段落是很相似的，這些相似的保守性段落稱為共有性序列。啟動子一般可分為識別、結合和起始三個區段。轉錄起始第一個鹼基（通常標記位置為+1）最常見的是A；在-10bp附近有TATAAT一組共有序列，因為這段共有序列是首先發現的，稱為Pribnow盒；在-35 bp處又有TTGACA一組共有序列。
不同的啟動子序列不同，與RNA聚合酶的親和力不同，啟動轉錄的頻率高低不同，即不同的啟動子起動基因轉錄的強弱不同，例如：PL、PR、P7屬強啟動子，而Plac則是較弱的啟動子。
1.3 操縱基因
操縱基因是指能被調控蛋白特異性結合的一段DNA序列。操縱基因常與啟動子鄰近或與啟動子序列重疊、當調控蛋白結合在操縱基因序列上，會影響其下遊基因轉錄的強弱。乳糖操縱子的操縱基因序列位於啟動子與被調控的基因之間，部分序列與啟動子序列重疊。研究發現這段雙鏈DNA具有回文樣的對稱性一級結構，能形成十字形的莖環構造。不少操縱子都具有類似的對稱性序列，可能與特定蛋白質的結合相關。
1.4 調控基因
調控基因是編碼能與操縱序列結合的調控蛋白的基因。與操縱子結合後能減弱或阻止其調控基因轉錄的調控蛋白稱為阻遏蛋白，其介導的調控方式稱為負性調控；與操縱子結合後能增強或啟動其調控基因轉錄的調控蛋白稱為激活蛋白，所介導的調控方式稱為正性調控。
某些特定的物質能與調控蛋白結合，使調控蛋白的空間構象發生變化，從而改變其對基因轉錄的影響，這些特定物質稱為效應物，其中凡能引起誘導發生的分子稱為誘導劑，能導致阻遏發生的分子稱為阻遏劑或輔助阻遏劑。
乳糖操縱子中，調控基因Rlac位於Plac鄰近，有其自身的啟動子和終止子，轉錄方向和結構基因群的轉錄方向一致，編碼產生由347個胺基酸組成的調控蛋白R。在環境沒有乳糖存在的情況下，R形成分子量為152000的活性四聚體，能特異性與操縱基因0緊密結合，從而阻止利用乳糖的酶類基因的轉錄，所以R是乳糖操縱子的阻遏蛋白；當環境中有足夠的乳糖時，乳糖受Β-半乳糖苷酶作用轉變為別乳糖，別乳糖與R結合，使R的空間構象變化，四聚體解聚成單體，失去與操縱基因特異性緊密結合的能力，從而解除了阻遏蛋白的作用，使其後的基因得以轉錄合成利用乳糖的酶類。在這過程中乳糖（實際起作用的是別乳糖）就是誘導劑，與R結合，起到去阻遏作用，誘導了利用乳糖的酶類基因的轉錄。
許多調控蛋白都是變構蛋白，通過與上述類似的方式與效應物結合改變空間構象，從而改變活性，起到調節基因轉錄表達的作用。
1.5 終止子
終止子是給予RNA聚合酶轉錄終止信號的DNA序列。在1個操縱子中至少在結構基因群最後一個基因的後面有一個終止子。
終止子按其作用是否需要蛋白因子的協助至少可以分為2類：不依賴p因子的終止和依賴p因子的終止。不依賴p因子（蛋白性終止因子）的終止子在序列上有一些共通的特點，即有一段富含GC的反向重複序列，其後跟隨一段富含AT的序列，因而轉錄生成的mRNA的序列中能形成髮夾式結構，後繼一連串U，正是RNA聚合酶轉錄生成的這段mRNA的結構阻止RNA聚合酶繼續沿DNA移動，並使聚合酶從DNA鏈上脫落下來，終止轉錄。依賴p因子的終止子其終止轉錄的作用需要p因子的協同，或至少是受p因子的影響。
不同的終止子的作用也有強弱之分，有的終止子幾乎能完全停止轉錄；有的則只是部分終止轉錄，一部分RNA聚合酶能越過這類終止序列繼續沿DNA移動並轉錄。如果一串結構基因群中間有這種弱終止子的存在，則前後轉錄產物的量會有所不同，這也是終止子調節基因群中不同基因表達產物比例的一種方式。有的蛋白因子能作用於終止序列，減弱或取消終止子的作用，稱為抗終止作用，這種蛋白因子就稱為抗終止因子。
以上5種元件是每一個操縱子必定含有的。其中啟動子、操縱子位於緊鄰結構基因群的上遊，終止子在結構基因群之後，它們都在結構基因的附近，只能對同一條DNA鏈上的基因表達起調控作用，這種作用在遺傳學實驗上稱為順式作用，啟動子、操縱子和終止子就屬於順式作用元件。調控基因可以在結構基因群附近，也可以遠離結構基因，它是通過其基因產物——調控蛋白來發揮作用的，因而調控基因不僅能對同一條DNA鏈上的結構基因起表達調控作用，而且能對不在一條DNA鏈上的結構基因起作用，在遺傳學實驗上稱為反式作用，調控基因就屬於反式作用元件，其編碼產生的調控蛋白稱為反式調控因子。由此，基因表達調控機理的關鍵在蛋白質與核酸的相互作用上。
2.乳糖操縱子的表達調控
2.1 阻遏蛋白的負性調控
當大腸桿菌在沒有乳糖的環境中生存時，lac操縱子處於阻遏狀態。此R基因在其自身的啟動子PR控制下，低水平、組成性表達產生阻遏蛋白R，每個細胞中僅維持約10個分子的阻遏蛋白。R以四聚體形式與操縱子O結合，阻礙了RNA聚合酶與啟動子Plac的結合，阻止了基因的轉錄起動。R的阻遏作用不是絕對的，R與O偶爾解離，使細胞中還有極低水平的β-半乳糖苷酶及透過酶的生成。
當有乳糖存在時，乳糖受β-半乳糖苷酶的催化轉變為別乳糖，與R結合，使R構象變化，R四聚體解聚成單體，失去與O的親和力，與O解離，基因轉錄開始，使Β-半乳糖苷酶在細胞內的含量可增加1000倍。這就是乳糖對lac操縱子的誘導作用。
2.2 CAP的正性調控
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釋放能量時，CAMP生成少而分解多，CAMP含量低；相反，當環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，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結合併發生空間構象的變化而活化，稱為CAP，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上遊端有一段序列與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。
由於Plac是弱啟動子，單純因乳糖的存在發生去阻遏使lac操縱子轉錄開始，還不能使細菌很好利用乳糖，必須同時有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。通過這種機制，細菌優先利用環境中的葡萄糖，只有無葡萄糖而又有乳糖時，細菌才去充分利用乳糖。
不難看出，CAP結合位點就是一種起正性調控作用的操縱基因，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，不過它並不在lac操縱子的附近，CAP可以對幾個操縱子都起作用。
綜上所述，乳糖操縱子屬於可誘導操縱子，這類操縱子通常是關閉的，當受效應物作用後誘導轉錄起始。這類操縱子使細菌能適應環境的變化，最有效地利用環境能提供的能源底物。
作者信息
劉本舉（河南省濮陽市第一高級中學）
李新梅（河南師範大學生命科學學院）