細菌能隨環(huán)境的變化，迅速改變某些基因表達的狀態(tài)，這就是很好的基因表達調(diào)控的實驗型。人們就是從研究這種現(xiàn)象開始，打開認識基因表達調(diào)控分子機理的窗口的。
一、操縱元的提出
大腸桿菌可以利用葡萄糖、乳糖、麥芽糖、阿拉伯糖等作為碳源而生長繁殖。當培養(yǎng)基中有葡萄糖和乳糖時，細菌優(yōu)先使用葡萄糖，當葡萄糖耗盡，細菌停止生長，經(jīng)過短時間的適應，就能利用乳糖，細菌繼續(xù)呈指數(shù)式繁殖增長(圖19－1)。
圖19-1 大腸桿菌二階段生長現(xiàn)象
圖19-2 β-半乳糖苷酶的作用
大腸桿菌利用乳糖至少需要兩個酶：促使乳糖進入細菌的乳糖透過酶(lactose permease)催化乳糖分解第一步的β－半乳糖苷酶(β－galactosidase)(圖19-2)。
在環(huán)境中沒有乳糖或其他β-半乳糖苷時，大腸桿菌合成β-半乳糖苷酶量極少，加入乳糖2－3分鐘后，細菌大量合成β-半乳糖苷酶，其量可提高千倍以上，在以乳糖作為唯一碳源時，菌體內(nèi)的β-半乳糖苷酶量可占到細菌總蛋白量的3%。在上述二階段生長細菌利用乳糖再次繁殖前，也能測出細菌中β-半乳糖苷酶活性顯著增高的過程。這種典型的誘導現(xiàn)象，是研究基因表達調(diào)控的極好模型。
圖19-3 Jacob和Monod提出的lac operon模
針對大腸桿菌利用乳糖的適應現(xiàn)象，法國的Jacob和Monod等人做了一系列遺傳學和生化學研究實驗，于1961年提出乳糖操縱元(lac operon)學說，如圖19-3所示。圖19-3中z、a和b型是大腸桿菌編碼利用乳糖所需酶類的基因，p是轉(zhuǎn)錄z、a、b所需要的啟動子，調(diào)控基因i編碼合成調(diào)控蛋白R，R能與o結(jié)合而阻礙從p開始的基因轉(zhuǎn)錄，所以o就是調(diào)節(jié)基因開放的操縱序列，乳糖能改變R結(jié)構(gòu)使其不能與o結(jié)合，因而乳糖濃度增高時基因就開放，轉(zhuǎn)錄合成所編碼的酶類，這樣大腸桿菌就能適應外界乳糖供應的變化而改變利用乳糖的狀況，這個模型是人們在科學實驗的基礎(chǔ)上第一次開始認識基因表達調(diào)控的分子機理。醫(yī)學全.在線.網(wǎng).站.提供
二、操縱元(operon)的基本組成
乳糖操縱元模型被以后的許多研究實驗所證實，對其有了更深入的認識，并且發(fā)現(xiàn)其他原核生物基因調(diào)控也有類似的操縱元組織，操縱元是原核基因表達調(diào)控的一種重要的組織形式，大腸桿菌的基因多數(shù)以操縱元的形式組成基因表達調(diào)控的單元。下面就以半乳糖操縱元為例子說明操縱元的最基本的組成元件(elements)。
(一)結(jié)構(gòu)基因群
操縱元中被調(diào)控的編碼蛋白質(zhì)的基因可稱為結(jié)構(gòu)基因(structural gene, SG)。一個操縱元中含有2個以上的結(jié)構(gòu)基因，多的可達十幾個。每個結(jié)構(gòu)基因是一個連續(xù)的開放讀框(open reading frame)，5′端有翻譯起始碼(DNA存儲鏈上是ATG，轉(zhuǎn)錄成mRNA就是AUG)，3′端有翻譯終止碼(DNA存儲鏈上是TAA、TGA或TAG，轉(zhuǎn)錄成mRNA就是UAA、UGA或UAG)。各結(jié)構(gòu)基因頭尾銜接、串連排列，組成結(jié)構(gòu)基因群。至少在第一個結(jié)構(gòu)基因5′側(cè)具有核糖體結(jié)合位點(ribosome binding site, RBS),因而當這段含多個結(jié)構(gòu)基因的DNA被轉(zhuǎn)錄成多順反子mRNA，就能被核糖體所識別結(jié)合、并起始翻譯。核糖體沿mRNA移動；在合成完第一個編碼的多肽后，核糖體可以不脫離mRNA而繼續(xù)翻譯合成下一個基因編碼的多肽，直至合成完這條多順反子mRNA所編碼的全部多肽。
乳糖操縱元含有z、y和a三個結(jié)構(gòu)基因。z基因長3510bp，編碼含1170個氨基酸、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(zhuǎn)變?yōu)閯e乳糖(allolactose)，再分解為半乳糖和葡萄糖；y基因長780bp，編碼由260個氨基酸組成、分子量30000的半乳糖透過酶，促使環(huán)境中的乳糖進入細菌；a基因長825bp，編碼含275氨基酸、分子量為32000的轉(zhuǎn)乙酰基酶，以二聚體活性形式催化半乳糖的乙酰化。z基因5′側(cè)具有大腸桿菌核糖體識別結(jié)合位點(ribosome binding site, RBS)特征的ShineDalgarno(SD)序列，因而當乳糖操縱元開放時，核糖體能結(jié)合在轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的mRNA上。由于z、y、a三個基因頭尾相接，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(zhuǎn)錄生成的多順反子(polycistron)mRNA移動，在翻譯合成了上一個基因編碼的蛋白質(zhì)后，不從mRNA上掉下來而繼續(xù)沿mRNA移動合成下一個基因編碼的蛋白質(zhì)，一氣依次合成基因群所編碼的所有蛋白質(zhì)。
