操縱子學(xué)說是1961年,法國科學(xué)家莫諾(J·L·Monod,1910-1976)與雅可布(F·Jacob)發(fā)表“蛋白質(zhì)合成中的遺傳調(diào)節(jié)機制”一文中提出的學(xué)說,該學(xué)說開創(chuàng)了基因調(diào)控的研究。

中文名

操縱子學(xué)說

提出者

莫諾(J·L·Monod,1910-1976)與雅可布(F·Jacob)

提出時間

1961年

應(yīng)用學(xué)科

醫(yī)學(xué)

調(diào)節(jié)內(nèi)容

基因編碼調(diào)節(jié)蛋白

適用領(lǐng)域

醫(yī)學(xué)

介紹

色氨酸操縱子

1961年,法國科學(xué)家莫諾(J·L·Monod,1910-1976)與雅可布(F·Jacob)發(fā)表“蛋白質(zhì)合成中的遺傳調(diào)節(jié)機制”一文,提出操縱子學(xué)說,開創(chuàng)了基因調(diào)控的研究。四年后的1965年,莫諾與雅可布即榮獲諾貝爾生理學(xué)與醫(yī)學(xué)獎。

莫諾與雅可布最初發(fā)現(xiàn)的是大腸桿菌的乳糖操縱子。這是一個十分巧妙的自動控制系統(tǒng),這個自動控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)調(diào)控大腸桿菌的乳糖代謝。

乳糖可作為培養(yǎng)大腸桿菌的能源。大腸桿菌能產(chǎn)生一種酶(叫做“半乳糖苷酶”),能夠催化乳糖分解為半乳糖和葡萄糖,以便作進一步的代謝利用。編碼半乳糖苷酶的基因(簡稱z)是一個結(jié)構(gòu)基因(structural gene)。這個結(jié)構(gòu)基因與操縱基因共同組成操縱子。操縱基因受一種叫作阻遏蛋白的蛋白質(zhì)的調(diào)控。當(dāng)阻遏蛋白結(jié)合到操縱基因之上時,乳糖會起誘導(dǎo)作用,它與阻遏蛋白結(jié)合,使之從操縱基因上脫落下來。這時,操縱基因開啟,相鄰的結(jié)構(gòu)基因也表現(xiàn)活性,細菌就能分解并利用乳糖了,這樣,乳糖便成了誘導(dǎo)半乳糖苷酶產(chǎn)生的誘導(dǎo)物。

上述內(nèi)容表明,大腸桿菌的乳糖操縱子是一個十分巧妙的自動控制系統(tǒng):當(dāng)培養(yǎng)基中含有充分的乳糖,同時不含葡萄糖時,細菌便會自動產(chǎn)生半乳糖苷酶來分解乳糖,以資利用。當(dāng)培養(yǎng)基中不含乳糖時,細菌便自動關(guān)閉乳糖操縱子,以免浪費物質(zhì)和能量。

啟動基因

60年代中期,在操縱子中還發(fā)現(xiàn)了另一個開關(guān)基因,稱為啟動基因(promoter)。啟動基因位于操縱基因之前,二者緊密相鄰。啟動基因由環(huán)腺苷酸(cAMP)啟動,而環(huán)腺苷酸能被葡萄糖所抑制。這樣,葡萄糖便通過抑制環(huán)腺苷酸而間接抑制啟動基因,使結(jié)構(gòu)基因失活,停止合成半乳糖苷酶。

由此可知,結(jié)構(gòu)基因同時受兩個開關(guān)基因——操縱基因與啟動基因的調(diào)控。只有當(dāng)這兩個開關(guān)都處于開啟狀態(tài)時,結(jié)構(gòu)基因才能活化。當(dāng)培養(yǎng)基中同時存在葡萄糖和乳糖時,葡萄糖通過抑制環(huán)腺苷酸而間接抑制啟動基因,并進而抑制結(jié)構(gòu)基因,使細菌不產(chǎn)生半乳糖苷酶。這種情況下,細菌便會自動優(yōu)先利用葡萄糖,因為葡萄糖果是比乳糖更好的能源。

1969年,貝克維斯(J·R·Beckwith)從大腸桿菌的DNA中分離出乳糖操縱子,完全證實了雅可布和莫諾的模型。

在啟動基因發(fā)現(xiàn)之前,莫諾和雅可布的操縱子模型中,直接對結(jié)構(gòu)基因起操縱作用的開關(guān)基因,僅有一個操縱基因。因此,有人開玩笑說:“半個操縱子就可以得諾貝爾獎”。對某一項成就,人們?nèi)绻f它的一半就可以實現(xiàn)某種重要作用,就表明這項成就的偉大。北宋時代的名臣趙普就有“半部論語就可以治天下”的名言,由此也可見操縱子學(xué)說的巨大意義。

操縱子模型

一個控制細胞基因表達的模型稱為操縱子(operon),此模型的提出使基因概念又向前邁出了一大步。表明人們已認(rèn)識到基因的功能并不是固定不變的,而是可以根據(jù)環(huán)境的變化進行調(diào)節(jié)。隨之人們發(fā)現(xiàn)無論是真核還是原核生物轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)都是涉及到編碼蛋白的基因和DNA上的元件。這一發(fā)現(xiàn)獲得了1965年諾貝爾獎。一個基因就是一段編碼有功能產(chǎn)物的DNA順序。基因的產(chǎn)物可以是蛋白質(zhì)或是RNA(如tRNA和rRNA)。基因的重要特點是在有的情況下其產(chǎn)物能從合成位點散開去作用別的位點。

DNA元件是DNA上一段順序,它不能轉(zhuǎn)變成任何其它的形式,但它作為一種原位(in situ)順序具有特殊的功能。由于它只能作用同一條DNA,因此稱順式作用元件(cis-acting element)。

基因可以根據(jù)它們的產(chǎn)物分成不同的類型。編碼細胞必要的蛋白,如酶或結(jié)構(gòu)蛋白的基因稱為結(jié)構(gòu)基因( structural genes)。這類基因在細胞中占絕大部分,承擔(dān)著細胞各種蛋白的結(jié)構(gòu)和功能。編碼調(diào)節(jié)蛋白的基因稱調(diào)節(jié)基因(regulator genes)。調(diào)節(jié)蛋白可調(diào)節(jié)其它基因的表達。由于調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物可以自由地結(jié)合到其相應(yīng)的靶上,因此被為反式作用因子(trans-acting因子)。

調(diào)節(jié)的關(guān)鍵是調(diào)節(jié)基因編碼調(diào)節(jié)蛋白,此蛋白通過和DNA上特殊位點的結(jié)合來控制轉(zhuǎn)錄。順式作用元件被反式作用因子識別可以以“正”的或“負(fù)”的形式調(diào)節(jié)靶基因,順式作用位點通??偸窃诎谢虻纳嫌巍?/p>