Jacod-Monod操纵子学说及其发展
1961年Jacob和Monod根据对大肠杆菌β-半乳糖苷酶诱导的研究，提出了基因对蛋白合成调节控制的操纵子（operon）模型，根据这一模型，乳糖操纵子由三个结构基因（Structural gene）Z、Y和A，和一个操纵基因0（operator）所组成。Z、Y、A分别编码三种蛋白，即β-半乳糖苷酶（是四聚体，每条肽链由1 172个氨基酸组成，分子量[2]135 000）、半乳糖苷渗透酶（是膜结合蛋白，分子量30 000，相当于260个氨基酸残基）和硫代半乳糖苷转乙酰基酶（功能不清，是二聚体，每条链含268个氨基酸残基，分子量是32 000）。各结构基因的表达，即产酶与否，是受操纵基因严格控制的。操纵基因又受调节基因（regulatory gene）i所调节。i产生阻遏物（repressor）与O专一性地结合，使结构基因停止转录。当加入诱导剂，它与阻遏物结合，改变后者的构象，使阻遏物不能与O结合，转录和蛋白合成便能进行。在阻遏酶情况下，正常产生的阻遏物是不活化的，与终点产物结合而活化，才能阻遏酶的合成。此假说提出后，Gilbert和Müller Hill（1966）分离出阻遏物是蛋白质（为四聚体，每个亚基约含330个氨基酸残基，分子量是38 000，系一种变构蛋白）；Beyreuther等（1970）又分析了阻遏蛋白亚基的全部氨基酸顺序；Scife和Beckwith根据基因分析的结果，弄清了启动子P在i和O之间，只有当c-AMP和CAP蛋白（c-AMP的受体蛋白，分子量45 000，由2个相同的亚基组成）复合物与之结合，RNA聚合酶才能在P的另一个位置上结合进行转录。降解物阻遏（catabolite repression）（即葡萄糖效应）是由于葡萄糖导致c-AMP含量的下降，故启动子不能启动，酶合成停止。最近，由于操纵基因的分离和全部核苷酸顺序测定的成功（见图1），不仅证实了操纵子学说的正确性，而且开始在分子、亚分子水平上认识基因间的相互作用。目前已有20多种操纵基因的核苷酸顺序已经弄清（关谷刚男，1977）。乳糖操纵子是在proB（合成脯氨酸基因）和tsx（对唑菌体T6）位点之间。LacZ、LacY和lacA三个结构基因约长5 100对核苷酸，laci约长1 000个核苷酸对。此时，RNA聚合酶的核心酶（α，β，β'），便与结合碱基顺序（B）结合，在结合部位，碱基对部分分开，形成前启动复合物（preinitiation-complex），然后，沿着结构基因转录，形成mRNA，最后，在rho因子参与下，在终止信号处转录停止。在整个转录过程中可能还有必需的蛋白因子π和D参加。以后，以形成的mRNA为操纵基因核苷酸顺序的分析，揭示了它一个显著的特征，即含有许多旋转对称的碱基结构。RNA聚合酶是与启动子上第—6—12的核苷酸顺序相结全，从第1位开始转录。阻遏物是同RNA聚合酶转录起始点向转录方向算起第11个碱基为中心（·表示）的旋转对称的操纵基因区段结合，阻止转录。C-AMP和CAP蛋白复合物是与操纵基因第—61和—62碱基对为中心（··表示）的旋转对称区结合，使—40附近的G—C对丰富的强杂化区松弛，因而，使RNA聚合酶容易与启动子结合。关于RNA聚合酶与启动子结合和启动的机制，提出了如下的模型（见图2）。启动子由识别碱基顺序（R）、结合碱基顺序（B）和转录启动点组成。RNA聚合酶的σ因子先识别启动子上的识别碱基顺序（R），形成识别复合物（recognition complex-模板，在rRNA、tRNA、多种酶系和蛋白因子（F1、F2、TF1、TF2、R1、R2）以及能量因子GTP参与下，经过启动、肽链延长（转位、易位）和终止，翻译成肽链。合成的肽链进一步形成高级结构和空间构型，或与辅基结合，或做种种修饰（如切去部分肽段等），最后才变成有活性的酶蛋白。
朱雨生，中国科学院上海植物生理研究所；汤佩松，中国科学院植物研究所。
本文发表于1979年“植物生理学通讯”，No（1）：48-62。
图1 乳糖操纵子和启动子，操纵基因区的碱基顺序（关谷刚男，1977）
图2 操纵基因模型（关谷刚男，1977）
R—RNA聚合酶识别碱基顺序；B—RNA聚合酶结合碱基顺序；Ⅰ—转录开始点
目前，在许多材料中证实了操纵子的存在。如在大肠杆菌中发现的操纵子有23种，已证明操纵基因和启动子的有8个以上。结构基因可集中，也可分散。调节基因（如大肠杆菌碱性磷酸酯酶操纵子）和启动子（如鼠伤寒色氨酸合成酶的操纵子）也可有多个。控制方式可以是负控制，也可能是正控制（如阿拉伯糖操纵子）。最近证明，克氏肺炎杆菌固氮酶竟由7个操纵子以及至少14个结构基因组成。我们在真菌木霉纤维素酶诱导形成的研究中，推测可能由三个结构基因分别编码纤维素酶的三个组分——C1酶、Cx酶和β-葡萄糖苷酶，它们能被槐糖（诱导剂）同步诱导。突变种的调节基因可能发生改变，而导致纤维素酶产量的增加。本霉纤维素酶的形成虽也受诱导和降解物阻遏调节，但细节上可能与原核生物不同［1，2］，也有人推测，高等植物中有操纵子存在，最近发现高等真核生物基因活性调节的方式更复杂，不能简单地用操纵子学说解释。根据以上基因对酶合成的调节模型，有人将基因表达的调节点做了归纳（见表1）。
表1 基因表达可能的调节点［10］
