基因的操纵子

 

来源公众号：奇妙的生物世界

      莫诺和雅各布都是法国科学家。莫诺于 1931 年从巴黎大学生物系毕业，1941 年取得博士学位。1945 年，莫诺正式转到巴斯德研究所研究大肠杆菌的生理活动。1950 年，原来学外科医学的雅各布加入巴斯德研究所的噬菌体实验室。他常和莫诺讨论科学问题，两个人的关系逐渐密切，成了合作研究的伙伴。

      1957 年，雅各布和莫诺共同采用细菌遗传分析的方法研究乳糖体系的实验，于 1961 年初提出了“操纵子理论”。现已证明，操纵子是原核细胞中普遍存在的基因调控模式。雅各布、莫诺、利沃夫共享了 1965 年的诺贝尔生理学或医学奖。

      莫诺和雅各布发现，大肠杆菌内有一个十分巧妙的自动控制系统，用来控制它的代谢：当培养基中含有充分的乳糖却不含葡萄糖时，它便会自动产生半乳糖苷酶，使乳糖降解为半乳糖和葡萄糖，为自己提供能源；当培养基中不含乳糖时，大肠杆菌便自动关闭这一系统，不产生半乳糖苷酶，以减少物质和能量的浪费。

      这个复杂而精妙的调节系统是怎样运行的呢？莫诺和雅各布发现，大肠杆菌体内指导半乳糖苷酶合成的基因是一个结构基因，这个结构基因与操纵它的基因共同组成了操纵子。操纵基因受一种叫作“阻遏蛋白”的蛋白质调控：当阻遏蛋白结合到操纵基因上时，半乳糖苷酶不能合成；当环境中只有乳糖时，乳糖就会与阻遏蛋白结合，使之从操纵基因上脱落下来。这时，操纵基因开启，相邻的结构基因得以转录和翻译，最终合成半乳糖苷酶，细菌就能分解并利用乳糖了。所以，乳糖是诱导半乳糖苷酶产生的诱导物。

      这个系统运行的条件是，培养基中只有乳糖而不存在葡萄糖。那么，当培养基中存在葡萄糖时，大肠杆菌为什么会只利用葡萄糖而不利用乳糖呢？

      20 世纪 60 年代中期，科学家在操纵子中还发现了另一个开关基因，将其称为“启动子”。启动子位于操纵基因之前，二者紧密相邻。启动子由环腺苷酸（cyclic adenylic acid）启动，而环腺苷酸能被葡萄糖所抑制。这样，葡萄糖便通过抑制环腺苷酸而间接抑制启动子，使结构基因失活，停止合成半乳糖苷酶。

       由此可知，结构基因同时受两个开关基因—操纵子与启动子的调控。只有当这两个开关都处于开启状态时，结构基因才能活化。当培养基中同时存在葡萄糖和乳糖时，葡萄糖通过抑制环腺苷酸而间接抑制启动子，并进而抑制结构基因，使大肠杆菌不产生半乳糖苷酶。在这种情况下，大肠杆菌便会自动优先利用葡萄糖，因为葡萄糖是比乳糖更好的能源。

      1969 年，乔纳森·罗杰·贝克威斯（Jonathan Roger Beckwith，1935— ）从大肠杆菌的 DNA 中分离出乳糖操纵子，证实了雅各布和莫诺的研究成果。

来源网址：基因的操纵子