[科普中国]-大肠杆菌操纵子

作用

大肠杆菌等原核生物大多数基因表达调控是通过操纵子机制实现的。操纵子通常由 2个以上的编码序列与启动序列、操纵序列以及其他调节序列在基因组中成簇串联组成。启动序列是RNA聚合酶结合并启动转录的特异DNA序列。多种原核基因启动序列特定区域内，通常在转录起始点上游-10及-35区域存在一些相似序列，称为共有序列。大肠杆菌及一些细菌启动序列的共有序列在-10区域是TATAAT，又称Pribnow盒（PribnowBox），在-35区域为 TTGACA。这些共有序列中的任一碱基突变或变异都会影响RNA聚合酶与启动序列的结合及转录起始。因此，与共有序列的一致度决定启动序列的转录活性大小。操纵序列是原核阻遏蛋白的结合位点。当操纵序列结合阻遏蛋白时会阻碍RNA聚合酶与启动序列的结合，或使RNA聚合酶不能沿DNA向前移动，阻遏转录，介导负性调节。原核操纵子调节序列中还有一种特异DNA序列可结合激活蛋白，使转录激活，介导正性调节。

操纵子在转录水平受到转录时机以及转录强度两个水平受到调控。实现转录水平调控的分子机制有，特异性的转录因子(Specificity factors)，如细菌中的08因子；抑制子 (Repressors)，如lacl；General transcription factors转录因子；转录激活因子 (Activators)；增强子(Enhancers)等。os因子可以增加RNA聚合酶对其识别的压力条件下启动子的亲和力，同时降低RNA聚合酶与持家基因启动子的结合强 度，从而对不同基因进行转录调控。抑制子通过与DNA链的非编码区结合，其 形成的空间结构阻碍RNA聚合酶与启动子区域的结合，从而抑制基因的转录作 用及表达。增强子通常位于启动子的上游较远区域，增强子可以增强RNA聚合 酶与特定启动子的结合强度，从而增强基因的转录水平。转录激活因子 (Activators)通过与RNA聚合酶的相互作用或改变DNA分子的结构从而改变 RNA聚合酶与启动子的结合强度，进而调控基因的转录水平。这些转录水平的 调控分子都是操纵子的组成部分，可以调控操纵子中全部基因的表达调控。1

分类大肠杆菌的基因组结构已经研究的非常详尽，有很多生物信息学的数据库提供大肠杆菌基因内操纵子的结构。Regulon DB(http：//regulondb.ccg.unalll.rex/)是大肠杆菌转录调控和操作子数据库，可以提供有文献记载的所有操纵子的结构及其调控因子，并提供详尽的原始文献。Biocyc(http：//biocyc.org/)数据库中的Genome Browse和Genome Overview等工具也提供详细的大肠杆菌操纵子信息。Genome Browse中可以搜索任一基因或操纵子，显示结果包括操纵子在基因组上的位置，操纵子结构，与其作用的转录调控因子，启动子序列等详细信息。1

大肠杆菌乳糖操纵子包括4类基因：①结构基因，能通过转录、翻译使细胞产生一定的酶系统和结构蛋白，这是与生物性状的发育和表型直接相关的基因。乳糖操纵子包含3个结构基因：lacZ、lacY、lacA。LacZ合成β—半乳糖苷酶，lacY合成透过酶，lacA合成乙酰基转移酶。②操纵基因O，控制结构基因的转录速度，位于结构基因的附近，本身不能转录成mRNA。③启动基因P，位于操纵基因的附近，它的作用是发出信号，mRNA合成开始，该基因也不能转录成mRNA。④调节基因i：可调节操纵基因的活动，调节基因能转录出mRNA，并合成一种蛋白，称阻遏蛋白。操纵基因、启动基因和结构基因共同组成一个单位——操纵子（operon）。 调节乳糖催化酶产生的操纵子就称为乳糖操纵子。其调控机制简述如下： 抑制作用：调节基因转录出mRNA，合成阻遏蛋白，因缺少乳糖，阻遏蛋白因其构象能够识别操纵基因并结合到操纵基因上，因此RNA聚合酶就不能与启动基因结合，结构基因也被抑制，结果结构基因不能转录出mRNA，不能翻译酶蛋白。 诱导作用：乳糖的存在情况下，乳糖代谢产生别乳糖（alloLactose），别乳糖能和调节基因产生的阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白改变构象，不能在和操纵基因结合，失去阻遏作用，结果RNA聚合酶便与启动基因结合，并使结构基因活化，转录出mRNA，翻译出酶蛋白。 负反馈：细胞质中有了β—半乳糖苷酶后，便催化分解乳糖为半乳糖和葡萄糖。乳糖被分解后，又造成了阻遏蛋白与操纵基因结合，使结构基因关闭。

大肠杆菌色氨酸操纵子结构较简单，也是研究得最清楚的操纵子，结构基因依次排列为trpE,trpD,trpC,trpB,trpA，其中trpG与trpD 和trpC与trpF分别发生基因融合。trpE和trpG编码邻氨基苯甲酸合酶,trpD编码邻氨基苯甲酸磷酸核糖转移酶，trpC编码吲哚甘油磷酸合酶,trpF编码异构酶，trpA和trpB分别编码色氨酸合酶的α和β亚基。trpE的上游为调控区，由启动子、操纵基因和162bp 的前导序列组成。5 个结构基因全长约6800bp,trpD远侧还有一个二级启动子，在细胞生长需要过量Trp时发挥作用。一些G+菌，如枯草杆菌色氨酸操纵子的结构有所不同，7 个结构基因中的6 个依次排列为trpE,trpD,trpC,trpF,trpB,trpA，存在于含有12个结构基因的芳香族氨基酸超操纵子( aro operon ），第7 个结构基因,trpG存在于叶酸合成操纵子中，该酶参与Trp 和叶酸的合成。有2个启动子参与调控，一个位于aro operon的起始位置，另一个则位于trpE 上游约200 bp处。2