生物化學與分子生物學/乳糖操縱元的表達調控

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生物化學與分子生物學

基因表達調控
- 原核基因表達調控
  - 操縱元的提出
  - 操縱元(operon)的基本組成
  - 乳糖操縱元的表達調控
  - 色氨酸操縱元

如上所述乳糖操縱元的結構及其基因表達調控可綜合於圖19-7。

乳糖操縱元的結構及調控示意圖

圖19-7　乳糖操縱元的結構及調控示意圖

(一)阻遏蛋白的負性調控

當大腸桿菌在沒有乳糖的環境中生存時，1ac操縱元處於阻遏狀態。i基因在其自身的啟動子Pi控制下，低水平、組成性表達產生阻遏蛋白R，每個細胞中僅維持約10個分子的阻遏蛋白。R以四聚體形式與操縱子o結合，阻礙了RNA 聚合酶與啟動子P1ac的結合，阻止了基因的轉錄起動。R的阻遏作用不是絕對的，R與o偶爾解離，使細胞中還有極低水平的β－半乳糖苷酶及透過酶的生成。

當有乳糖存在時，乳糖受β－半乳糖苷酶的催化轉變為別乳糖，與R結合，使R構象變化，R四聚體解聚成單體，失去與o的親和力，與o解離，基因轉錄開放，β－半乳糖苷酶在細胞內的含量可增加1000倍。這就是乳糖對1ac操縱元的誘導作用。

一些化學合成的乳糖類似物，不受β－半乳糖苷酶的催化分解，卻也能與R特異性結合，使R構象變化，誘導1ac操縱元的開放。例如異丙基硫代半乳糖苷(isopropylthiogalactoside,IPTG)就是很強的誘導劑，不被細胞代謝而十分穩定。X－gal(5-溴－4-氯－3-吲哚－β－半乳糖苷)也是一種人工化學合成的半乳糖苷，可被β－半乳糖苷酶水解產生蘭色化合物，因此可以用作β－半乳糖苷酶活性的指示劑。IPTG和Xgal都被廣泛應用在分子生物學和基因工程的工作中。

乳糖，IPTG和Xgal的結構

圖19-8　乳糖，IPTG和Xgal的結構

(二)CAP的正性調控

細菌中的cAMP含量與葡萄糖的分解代謝有關，當細菌利用葡萄糖分解供給能量時，cAMP生成少而分解多，cAMP含量低；相反，當環境中無葡萄糖可供利用時，cAMP含量就升高。細菌中有一種能與cAMP特異結合的cAMP受體蛋白CRP(cAMp receptor protein)，當CRP未與cAMP結合時它是沒有活性的，當cAMP濃度升高時，CRP與cAMP結合併發生空間構象的變化而活化，稱為CAP(CRPcAMp activated protein)，能以二聚體的方式與特定的DNA序列結合。

在1ac操縱元的啟動子P1ac上游端有一段與Plac部分重疊的序列，能與CAP特異結合，稱為CAP結合位點(CApbinding site)。CAP與這段序列結合時，可增強RNA聚合酶的轉錄活性，使轉錄提高50倍。相反，當有葡萄糖可供分解利用時，cAMP濃度降低，CRP不能被活化，1ac操縱元的結構基因表達下降。

葡萄糖利用對乳糖操縱元的影響

圖19-9　葡萄糖利用對乳糖操縱元的影響

由於P1ac是弱啟動子，單純因乳糖的存在發生去阻遏使1ac操縱元轉錄開放，還不能使細胞很好利用乳糖，必須同時有CAP來加強轉錄活性，細菌才能合成足夠的酶來利用乳糖。1ac操縱元的強誘導既需要有乳糖的存在，又需要沒有葡萄糖可供利用。通過這種機制，細菌優先利用環境中的葡萄糖，只有無葡萄糖而又有乳糖時，細菌才去充分利用乳糖。

細菌對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結合位點，CAP也起類似的正性調控作用。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結合位點就是一種起正性調控作用的操縱子，CAP則是對轉錄起正性作用的控蛋白棗激活蛋白，編碼CRP的基因也是一個調控基因，不過它並不在1ac操縱元的附近，CAP可以對幾個操縱元都起作用。

從上所述，乳糖操縱元屬於可誘導操縱元(inducible operon)，這類操縱元通常是關閉的，當受效應物作用後誘導開放轉錄。這類操縱元使細菌能適應環境的變化，最有效地利用環境能提供的能源底物。