生物化學(xué)與分子生物學(xué)/乳糖操縱元的表達(dá)調(diào)控
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如上所述乳糖操縱元的結(jié)構(gòu)及其基因表達(dá)調(diào)控可綜合于圖19-7。
圖19-7 乳糖操縱元的結(jié)構(gòu)及調(diào)控示意圖
(一)阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)控
當(dāng)大腸桿菌在沒有乳糖的環(huán)境中生存時(shí)，1ac操縱元處于阻遏狀態(tài)。i基因在其自身的啟動(dòng)子Pi控制下，低水平、組成性表達(dá)產(chǎn)生阻遏蛋白R(shí)，每個(gè)細(xì)胞中僅維持約10個(gè)分子的阻遏蛋白。R以四聚體形式與操縱子o結(jié)合，阻礙了RNA聚合酶與啟動(dòng)子P1ac的結(jié)合，阻止了基因的轉(zhuǎn)錄起動(dòng)。R的阻遏作用不是絕對(duì)的，R與o偶爾解離，使細(xì)胞中還有極低水平的β－半乳糖苷酶及透過酶的生成。
當(dāng)有乳糖存在時(shí)，乳糖受β－半乳糖苷酶的催化轉(zhuǎn)變?yōu)閯e乳糖，與R結(jié)合，使R構(gòu)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(zhuǎn)錄開放，β－半乳糖苷酶在細(xì)胞內(nèi)的含量可增加1000倍。這就是乳糖對(duì)1ac操縱元的誘導(dǎo)作用。
一些化學(xué)合成的乳糖類似物，不受β－半乳糖苷酶的催化分解，卻也能與R特異性結(jié)合，使R構(gòu)象變化，誘導(dǎo)1ac操縱元的開放。例如異丙基硫代半乳糖苷(isopropylthiogalactoside,IPTG)就是很強(qiáng)的誘導(dǎo)劑，不被細(xì)胞代謝而十分穩(wěn)定。X－gal(5-溴－4-氯－3-吲哚－β－半乳糖苷)也是一種人工化學(xué)合成的半乳糖苷，可被β－半乳糖苷酶水解產(chǎn)生蘭色化合物，因此可以用作β－半乳糖苷酶活性的指示劑。IPTG和Xgal都被廣泛應(yīng)用在分子生物學(xué)和基因工程的工作中。
圖19-8 乳糖，IPTG和Xgal的結(jié)構(gòu)
(二)CAP的正性調(diào)控
細(xì)菌中的cAMP含量與葡萄糖的分解代謝有關(guān)，當(dāng)細(xì)菌利用葡萄糖分解供給能量時(shí)，cAMP生成少而分解多，cAMP含量低；相反，當(dāng)環(huán)境中無葡萄糖可供利用時(shí)，cAMP含量就升高。細(xì)菌中有一種能與cAMP特異結(jié)合的cAMP受體蛋白CRP(cAMp receptor protein)，當(dāng)CRP未與cAMP結(jié)合時(shí)它是沒有活性的，當(dāng)cAMP濃度升高時(shí)，CRP與cAMP結(jié)合并發(fā)生空間構(gòu)象的變化而活化，稱為CAP(CRPcAMp activated protein)，能以二聚體的方式與特定的DNA序列結(jié)合。
在1ac操縱元的啟動(dòng)子P1ac上游端有一段與Plac部分重疊的序列，能與CAP特異結(jié)合，稱為CAP結(jié)合位點(diǎn)(CApbinding site)。CAP與這段序列結(jié)合時(shí)，可增強(qiáng)RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄活性，使轉(zhuǎn)錄提高50倍。相反，當(dāng)有葡萄糖可供分解利用時(shí)，cAMP濃度降低，CRP不能被活化，1ac操縱元的結(jié)構(gòu)基因表達(dá)下降。
圖19-9 葡萄糖利用對(duì)乳糖操縱元的影響
由于P1ac是弱啟動(dòng)子，單純因乳糖的存在發(fā)生去阻遏使1ac操縱元轉(zhuǎn)錄開放，還不能使細(xì)胞很好利用乳糖，必須同時(shí)有CAP來加強(qiáng)轉(zhuǎn)錄活性，細(xì)菌才能合成足夠的酶來利用乳糖。1ac操縱元的強(qiáng)誘導(dǎo)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(jī)制，細(xì)菌優(yōu)先利用環(huán)境中的葡萄糖，只有無葡萄糖而又有乳糖時(shí)，細(xì)菌才去充分利用乳糖。
細(xì)菌對(duì)葡萄糖以外的其他糖(如阿拉伯糖、半乳糖、麥芽糖等)的利用上也有類似對(duì)乳糖利的情況，在含有編碼利用阿拉伯糖的酶類基因群的阿拉伯糖操縱元(araoperon)、半乳糖操縱元(gal operon)中也有CAP結(jié)合位點(diǎn)，CAP也起類似的正性調(diào)控作用。所以CAP的通用名稱是分解代謝基因激活蛋白(catabolic gene activator protein)。
不難看出：CAP結(jié)合位點(diǎn)就是一種起正性調(diào)控作用的操縱子，CAP則是對(duì)轉(zhuǎn)錄起正性作用的控蛋白棗激活蛋白，編碼CRP的基因也是一個(gè)調(diào)控基因，不過它并不在1ac操縱元的附近，CAP可以對(duì)幾個(gè)操縱元都起作用。
從上所述，乳糖操縱元屬于可誘導(dǎo)操縱元(inducible operon)，這類操縱元通常是關(guān)閉的，當(dāng)受效應(yīng)物作用后誘導(dǎo)開放轉(zhuǎn)錄。這類操縱元使細(xì)菌能適應(yīng)環(huán)境的變化，最有效地利用環(huán)境能提供的能源底物。
 終止子 | 色氨酸操縱元  |
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