第1个回答 2009-12-16
乳糖操纵子
定义lactose operon
参与乳糖分解的一个基因群，由乳糖系统的阻遏物和操纵基因受负的控制，而同
时又同步地受支配。1961 年雅各布（F．Jacob）和莫诺德（J．Mon－od）根据该系
统的研究而提出了著名的操纵子学说。关于大肠杆菌的乳糖系统操纵子，¦Â-半乳糖苷
酶，半乳糖苷渗透酶，半乳糖苷转酰酶的结构基因以LacZ（z）， Lac Y（y），La
c A（a）的顺序分别排列在染色体上，与z 相邻，与y 相对的一侧有操纵基因Lac
O（o），更前面有启动基因Lac P（p），操纵子（乳糖操纵子）就是这样构成的。
决定乳酸系统阻遏物结构的调节基因Lac I（i）处于和p 相邻的位置上。
一、结构和功能
细菌相关功能的结构基因常连在一起，形成一个基因簇。它们编码同一个代谢途
径中的不同的酶。一个基因簇受到同一的调控，一开俱开，一闭俱闭。也就是说它们
形成了一个被调控的单位，其它的相关功能的基因也包括在这个调控单位中，例如编
码透过酶的基因，虽它的产物不直接参与催化代谢，但它可以使小分子底物转运到细
胞中。
乳糖分解代谢相关的三个基因，lacZ、Y、A 就是很典型的是上述基因簇。它们
的产物可催化乳糖的分解，产生葡萄糖和半乳糖。它们具有顺式作用调节元件和反式
作用调节基因。三个结构基因图的功能是：
lacZ 编码¦Â-半乳糖苷酶，此酶由500kd 的四聚体构成，它可以切断乳糖的半乳
糖苷键，而产生半乳糖和葡萄糖
lacY 编码¦Â一半乳糖苷透性酶，这种酶是一种分子量为30kDd 膜结合蛋白，它
构成转运系统，将半乳糖苷运入到细胞中。
lacA 编码¦Â-半乳糖苷乙酰转移酶，其功能只将乙酰-辅酶A 上的乙酰基转移到¦Â-
半乳糖苷上。
无论是lacZ 发生突变还是lacY 发生突变却可以产生lac-型表型，这种lac—表型
的细胞不能利用乳糖。lacZ-突变体中半乳糖苷酶失去活性，直接阻止了乳糖的代谢。
lacY-突变体不能从膜上吸取乳糖。
这一个完整的调节系统包括结构基因和控制这些基因表达的元件，形成了一个共
同的调节单位，这种调节单位就称为操纵子（opron）。操纵子的活性是由调节基因
控制的，调节基因的产物可以和操纵子上的顺式作用控制元件相互作用。
lacZ、Y、A 基因的转录是由lacI 基因指令合成的阻遏蛋白所控制。lacI 一般和
结构基因相毗连，但它本身具有自己的启动子和终止子，成为独立的转录单位。由于
lacI 的产物是可溶性蛋白，按照理说是无需位于结构基因的附近。它是能够分散到各
处或结合到分散的DNA 位点上（这是典型的反式-作用调节物。）
通过突变的效应是可以将结构基因和调节基因相区别的，结构基因发生突变，细
胞中就失去这些基因合成的蛋白。但是调节基因发生突变会影响到它所控制的所有结
构基因的表达。调节蛋白的突变的结果可以显示调节的类型。
lac 基因簇是受到负调节（negative regulation）。它们的转录可被调节蛋白所
关闭。若调节蛋白因突变而失活就会导致结构基因组成型表达。表明调节蛋白的功能
是阻止结构基因的表达，因此称这些蛋白为“阻遏”蛋白。
乳糖操纵子的阻遏蛋白是由4 个亚基（38kDa）组成的四聚体。一个野生型细胞
中大约有10 个四聚体。调节基因转录成单顺反子的mRNA，它和操纵子的比率与R
NA 聚合酶和启动子之比是相似的。
lacI 的产物称为lac 阻遏物（lac repressor），其功能是和lacZ、Y、A 基因簇5
¡ä端的操纵基因（Olac）,操纵基因位于启动子(Plac)和结构基因（lac2yA）之间。当阻
遏物结合在操纵基因上时就阻碍了启动子上的转录起始。Olac 从mRNA 转录起始点
的上游-5 处延伸到转录单位+21 处。这样它和启动子的末端发生重叠。新近的观点认
为阻遏物影响了RNA 聚合酶，从操纵基因和启动子二者相关位置来看阻遏物结合在
DNA 上会阻碍RNA 聚合酶转录结构基因。但我们必须注意其它一些操纵子上的操纵
基因其位置和乳糖操纵子并不相同，因而阻遏蛋白可以通过多种方式与操纵操纵基因
结合阻断转录。
二、阻遏蛋白的活性受到小分子诱导的控制
细菌对环境的改变必需作出迅速的反应。营养供给随时都可能发生变化，反复反
常。要能得以幸存必需具有可以变换不同代谢底物的能力。单细胞真核生物也同样生
活在不断变化环境中；而更为复杂的多细胞生物都具有一套恒定的代谢途径，而无需
对外部环境作出反应。
在细菌中是很需要灵活性，也需要很经济，因为细菌遇到合适的环境就大量消耗
营养对其本身也是不利的。在缺乏底物时就不必要合成大量相关的酶类，因此细菌产
生了一种调节机制，即在缺乏底物时就阻断酶的合成途径，但同时又作好了准备，一
旦有底物存在就立即合成这些酶。
特殊底物的存在导致了酶的合成，此现象称为诱导（induction）。这种类型的调
控广泛存在于细菌中，在较低等的真核生物（如酶母）也有这种情况。E.coli 的乳糖
操纵子提供了这种调控机制的典型范例。
当E.coli 生长在缺乏¦Â一半乳糖苷的条件下是不需要¦Â-半乳糖苷酶的，因此细胞
中含量很低，大约每个细胞不高于5 个分子，当加入底物后细菌中十分迅速地合成了
这种酶，仅在2-3 分钟之内酶就可以产生并很快增长到5000 个分子/每个细胞。如在
酶的浓度将达到细胞总蛋白的5-10%。如在培养基中除去底物，那么酶的合成也就迅
速停止，恢复到原来的状态。
如果原来培养基中无乳糖，也无葡萄糖，那么细胞只在很低的基本水平合成¦Â-
半乳苷酶和透性酶。当加入Lac 后，Ecoli 的lac+ 细胞很快大量合成以上两种酶。进
一步用32P 标记mRNA 作杂交实验（用¦Ëlac 中的取得的DNA，与加入乳糖后不同时
间内产生的32P-mRNA 进行分子杂交）结果表明加入的乳糖能激发lac 的mRNA 的
合成。lac mRNA 极不稳定，其半衰期仅有3 分钟，这个特点随着诱导很快的恢复。
当诱导物一除去转录立即停止，在很短的时间内所有的lac mRNA 即被降解掉，细胞
内的含量恢复到基础水平。
¦Â-半乳糖苷酶和透性酶合成是和lac mRNA 同时被诱导的，但当除去诱导物时在
细胞中¦Â-半乳糖苷酶和透性酶要比lac mRNA 稳定，因此酶的活性在一段较长的时
间内保持被诱导水平。这种对营养供给发生改变作出迅速反应的调控类型，不仅提供
了代谢新底物的能力，而且习惯于关闭在培养基中实然加入的一些成份的内部合成。
比如E.coli 的Trp 的合成是通过Trp 合成酶的作用。如果在细菌生长的培养基中加入
Trp 的话，那么立即停止Trp 合成酶的生产。这种作用称为阻遏（repression）效应。
它使细菌避免合成多余的物质。
在细菌中同时存在着诱导和阻遏的现象。诱导是细菌调节其分解底物供给生长的
能力。阻遏是细菌调节其合成代谢产物的能力。无论是酶作用的小分子底物的调节，
还是酶活性的产生，它们的启动是独自的，小分子底物称为诱导物（inducers）某些
物质能阻止酶合成它们本身，此物质就称辅阻遏物（corepressors）。
诱导和酶阻遏是高度特异的，只有底物/产物或紧密相关的分子才能起作用，但
小分子的活性并不依赖于和靶酶的相互作用。某些诱导物与自然的¦Â-半乳糖苷酶相
似，但并不能被酶分解，比如异丙基-¦Â-D-硫代半乳糖苷（isopropylthiogalactoside,I
PTG）。其半乳糖苷键中用硫代替了氧，失去了水解活性，但硫代半乳糖苷和同源的
氧代化合物与酶位点的亲和力相同，IPTG 虽不为¦Â-半乳糖苷酶所识别，但它是lac
基因簇十分有效的诱导物。
能诱导酶的合成，但又不被分解的分子,称为安慰诱导物（gratuitous inducer）。
由于乳糖虽可诱导酶的合成，但又随之分解，产生很多复杂的动力学问题，因此人们
常用安慰诱导物来进行各种实验。它的存在表明一个重要的问题，就是这个控制系统
必须具有某种成份，它不同于靶酶，能识别合适的底物；而它的这种识别相关底物的
能力也不同于酶。
对诱导物作出反应的这种成份就是阻遏蛋白，它由lacI 编码，其作用是控制lacI
YA 结构基同的转录，对环境作出反应。三个结构基因转录成单个的多顺反子mRNA。
阻遏蛋白的活性状态决定了此启动子是否打开或关闭。在缺乏诱导物时，这些基因不
能转录，因为阻遏蛋白是活性状态结合在操纵基因上。当诱导物存在时，阻遏物与之
结合，变成为失活状态，离开操纵基因，启动子开始转录，起始于lacZ 5¢端，
终止于lacA 的3¢端。
诱导物如何控制阻遏蛋白的活性呢？阻遏物对于操纵基因有很高的亲和性，在缺
乏诱导物时，阻遏物总是结合在操纵基因上，使得邻近的结构基因不能转录。但当诱
导物存在时，它和阻遏物结合形成了一个阻遏物复合体，不再和操纵基因结合。
右图为Lac 操纵子（Lac operon）的结构以及负调控图：
（a）Lac 操纵子的结构图
（b）无诱导物存在时，阻遏物与操作基因（operator）结合使得结构基因不能
正常转录
（c）诱导物（乳糖或IPTG）存在，与阻遏物结合时阻遏物从操纵基因上头里下
来，RNA 聚合酶可通过启动子和操作基因正常转录出一条多顺反子mRNA 从可翻译
得到三种梅
操纵子控制的重要特性是阻遏物的双重性：它既能阻止转录，又能识别小分子诱
导物。阻遏物有2 个结合位点：一个是结合诱导物的，另一个是结合操纵基因的。当
诱导物在相应位点结合时，它改变了阻遏蛋白的构象，干扰了另一位点的活性。这种
类型的调控叫变构调控。（allosteric control）
诱导完成一种协同调控（coordinate regulation）：所有的一组基因都一道表达
或一道关闭。mRNA 一般总是从5¢开始转录，所以诱导总是导致¦Â-半乳糖苷酶，
Lac 透性酶和Lac 乙酰转移酶按一定顺序出现。此多顺反子mRNA 的共同转录解释
了为什么在诱导物的不同条件下，lacZ、Y、A 三个基因的产物总保持同样的当量关
系。
诱导触动了“开关”使基因簇表达。诱导物交替变换它们的效应，其它的因子影响
了转录和翻译的绝对水平，但三个基因之间的关系事先已被它们的结构所决定了。
我们要注意操纵子的潜在特点。Lac 操纵子含有lacZ，它编码糖代谢所必须的¦Â
-半乳糖苷酶；含有的lac 编码透性酶，此酶是负责将底物转达运到细胞中。但操纵子
在非诱导状态时，基因尚未表达，也就不存在透性酶。那么诱导物开始怎样进入细胞
呢？
其实在细胞中透过酶等总是以最低量存在的，足以供给底物开始进入之需。操纵
子有一个本底水平（basal level）的表达，即使没有诱导物的存在，它也保持此表达
水平（诱导水平的0.1%），而有的诱导物是通过其它的吸收系统进入细胞的。
三、操纵基因和调节基因的鉴别
野生型的操纵子以被调节的方式进行表达，调节系统若发生突变可能使表达停止
或者在没有诱导物存在时仍然表达。前者称为不可诱导性（uninducible）突变；后者
对调节没有反应能力，无论诱导物是否存在都进行表达，故称为组成型突变（consti
tutive mutants）。
操纵子调节系统的成份通过突变已被鉴别出来，它们作用于结构基因的表达以及
编码区的外侧序列。这些成份分为二类：以启动子和操纵子，作为调节蛋白（RAN
聚合酶，阻遏物）靶顺序的通过顺式作用突变而被鉴定出来。lac 位点通过反式作用
突变被鉴定是为编码阻遏蛋白的基因。
操纵基因是原来通过组成型突变鉴别出的，称为“Oc”，其分布特点提供了第一个
顺式元件的证据，它是有功能的，但本身不编码。与OC 突变相邻接的结构基因以组
成型表达，这是由于突变改变了操纵基因，使阻遏蛋白不能与之结合。这样阻遏蛋白
就不能阻止RNA 聚合酶起始转录。从而使操纵子持续转录。
操纵基因只控制与它相邻接的一些lac 基因。若将第二个Lac 操纵子导入细菌的
质粒上，它有自己特有的操纵基因。操纵基因互不干扰。因此如果一个操纵子有一个
野生型的操纵基因，在通常条件下，它将被阻遏。当第二个操纵子带有OC 突变时，
它将持续表达。
这些特点表明操纵基因是一个典型的顺式作用位点。操纵基因只控制与其相邻接
的基因而不影响存在于细胞中的其它DNA 上的等位座位。像OC 这样的突变称为顺
式-显性（cis-dominant）。顺式作用位点中发生突变就不能和相关蛋白相结合，当两
个顺式作用位点彼此靠得很近时（如启动子和操纵基因），我们通过互补测验是不能
分别突变发生在那一个位点上，而只有通过它们对表型的影响来加以区别。顺式显性
是控制邻接顺序的那些DNA 位点的特性。如果一个控制位点其功能是作为多顺反子
mRNA 的一部分。它将表现出顺式显性的特点。特别表现在控制位点不能和被它调节
的基因相分离。从遗传学的观点来看这些位点和基因是在DNA 上还是在RNA 这并不
重要。
lacI-突变型也可导致持续转录。无论是点突变还是缺失都可产生这样的结果。后
者可能是丢失了和DNA 结合的功能区。因此与诱导物是否存在无关。这种现象是符
合负控制系统的。lac+基因编码一个阻遏蛋白，它可以关闭lacZYA 的转录。阻遏蛋
白失去和操纵基因结合能力时，则为组成型突变。转录能在启动子上自由地起始。同
时lacI- 突变由于阻遏蛋白的失活使lacZYA 呈组成型表达。
当lacI- 和lacI+二者同时存在于同一个细胞时，通过确定二者的关系可以帮助人
们得出正确的结论。这只能通过构建部分二倍体（partial diploid）来完成的。即一个
拷贝的操纵子位于细胞的主染色体上，而另一个放在质粒上，此质粒仅带少量基因，
可以独立复制。
在细胞中若既有lacI+又有lacI-，则可以正常调节。当除去诱导物时，结构基因
又重新被阻遏。这表明lacI+可以产正常的阻遏物，当诱导物不存在时它可以反式阻
遏lacI ZYA+基因，按遗传学的观点野生型的可诱导性对于组成型突变型是显性的。
这是负控制的重要标志。
操纵子非诱导性突变不能都得到表达，它们可以分成两种组成型突变：(1) 启动
子突变是顺式作用，若这种突变阻碍了RNA 聚合酶与Plac 的结合，也就不能阅读操
纵子，因为它不能转录。(2) lacI 突变若阻遏物失去和诱导物结合的能力也会导致和
前者相同的现象。这种突变称为lacIs。
这种反式作用对野生型来说是显性的。阻遏蛋白被保持在对操纵基因的识别和阻
碍转录的这种活性状态中。诱导物是否加入对其没有影响。这是由于细胞中突变的阻
遏物结合在所有的lac 操纵基因上并阻断转录，同时还不能取下，野生型阻遏物的存
对它也毫无影响。
lacI 突变的特点可以从阻遏蛋白结构的得以解释。在阻遏蛋白上具有两种不同类
型的结合位点。通过这些结合位点来控制基因的表达以对环境作为反应。DNA-结合
识别操纵基因。诱导结合位点与小分子诱导物结合。一旦与诱导物作用使其构象发生
改变而失去与操纵基因DNA 结合的能力。通过lacI 突变失去某些活性可以鉴别出阻
遏物亚基中的两个结合位点。DNA-结合位点的突变是组成型的（因为阻遏物不能和D
NA 结合来阻断转录）。诱导物结合位点的突变是不可诱导性的（由于诱导物不能减
少阻遏物和DNA 的亲和力）。
阻遏物功能的一个重要的特点是多聚体蛋白。在细胞中阻遏蛋白的亚基随机结合
成四聚体。当不同的lacI 等位基因存在时，它们的产物作为亚基结合成异聚四聚体，
其特性和同聚四聚体不同。这种亚基之间的作用类型是具有多聚体蛋白的性质，被称
为等位基因间的互补（interallelic complementation）。
负的互补（negative complementation）发生在某些阻遏蛋白突变体之间。正如
在lacI-d 与lacI+基因的重组中所见到的一样。此lacI-d 的突变仅导致阻遏蛋白不能
和操纵基因结合。因此它像lacI-等位基因一样，使操纵子呈组成型表达。由于lacI-
类型的突变产生的阻遏物没有活性，它相对于野生型基因是隐性的，而“-d”这个符号
表示负互补这种突变类型是显性的。这种突变称反式显性（trans-dominant），也称
为显性失活（dominant negatives）。
这种显性的原因是由于lacI-d 等位基因产生一个“坏”的亚基不仅它本身不能结合
操纵基因的DNA，而且它还通作为四聚体的一部分阻止四聚体中“好”的亚基与DNA
结合。这就意味着阻遏蛋白四聚体是作为一个总体，而不是单个单体的简单的集合。
这对完成阻遏来说是很必要的。在体外将“好”的亚基和“坏”的亚基混合起来也会产生
损坏的作用。
lacI-d 的突变是发生在阻遏蛋白的DNA 结合位点这就可以解释混合的四聚体可
以阻止与操纵基因的结合。结合位点数目的减少使四聚体和操纵基因的亲和力减少。
lacI 基因的左末端对于蛋白产物来说正好是在N-末端DNA-结合位点。lacI-隐性突变
发生在此位点以外的任何区域。但可以起到DNA 结合的间接作用。
lacIs 是不可诱导性突变，它是不能对诱导物作出反应。此可能由于阻遏蛋白失
去了诱导物结合位点，或者不能将它们的作用传递到DNA-结合位点。lacIS 突变位点
是很有规律的延着基因成束间隔排列。这些间隔可能存在着肽链的改变。
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