1、操纵子（operon）：指启动基因、操纵基因和一系列紧密连锁的结构基因的总称。转录的功能单位。很多功能上相关的基因前后相连成串，由一个共同的控制区进行转录的控制，包括结构基因以及调节基因的整个 DNA 序列。主要见于原核生物的转录调控，如乳糖操纵子、阿拉伯糖操纵子、组氨酸操纵子、色氨酸操纵子等1961 年 ,法国巴斯德研究所的 Monord 和 Jacob 提出了乳糖操纵子概念 ,后来人们在大肠杆菌中又陆续发现了色氨酸操纵子、组氨酸操纵子、半乳糖操纵子、阿拉伯糖操纵子等多种操纵子 ,从而不断的充实和完善了被誉为生命第三原理的基因调控理论 ,在这个理论中提出的操纵子概念也被人们普遍接受和证实。
2、操纵子学说是关于原核基因结构及其表达调控的学说，由法国巴斯德研究所著名科学家的 Monod 和 Jacob 在 1961 年首先提出 1。他们以对乳糖操纵子的研究，通过大量的试验及分析建立了现在已经被人们广泛接受的乳糖操纵子控制模型 2。后来人们在大肠杆菌中又陆续发现了色氨酸操纵子、组氨酸操纵子、半乳糖操纵子、阿伯糖操纵子等多种操纵子,从而不断的充实和完善了被誉为生命第三原理的基因调控理论,在这个理论中提出的操纵子概念也被人们普遍接受和证实。操纵子学说：1961 年，法国科学家莫诺（JLMonod，1910-1976）与雅可布（FJacob）发表“蛋白质合成中的遗传调节机制”一文，提出操纵子学
3、说，开创了基因调控的研究。四年后的 1965 年，莫诺与雅可布即荣获诺贝尔生理学与医学奖。莫诺与雅可布最初发现的是大肠杆菌的乳糖操纵子。这是一个十分巧妙的自动控制系统，这个自动控制系统负责调控大肠杆菌的乳糖代谢。乳糖可作为培养大肠杆菌的能源。大肠杆菌能产生一种酶（叫做“半乳糖苷酶”） ，能够催化乳糖分解为半乳糖和葡萄糖，以便作进一步的代谢利用。编码半乳糖苷酶的基因（简称 z）是一个结构基因（structural gene） 。这个结构基因与操纵基因共同组成操纵子。操纵基因受一种叫作阻遏蛋白的蛋白质的调控。当阻遏蛋白结合到操纵基因之上时，乳糖会起诱导作用，它与阻遏蛋白结合，使之从操纵基因上脱落下
4、来。这时，操纵基因开启，相邻的结构基因也表现活性，细菌就能分解并利用乳糖了，这样，乳糖便成了诱导半乳糖苷酶产生的诱导物。上述内容表明，大肠杆菌的乳糖操纵子是一个十分巧妙的自动控制系统：当培养基中含有充分的乳糖，同时不含葡萄糖时，细菌便会自动产生半乳糖苷酶来分解乳糖，以资利用。当培养基中不含乳糖时，细菌便自动关闭乳糖操纵子，以免浪费物质和能量。60 年代中期，在操纵子中还发现了另一个开关基因，称为启动基因（promoter） 。启动基因位于操纵基因之前，二者紧密相邻。启动基因由环腺苷酸（cAMP）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基因，使结构基因失活，
5、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基因与启动基因的调控。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基因，并进而抑制结构基因，使细菌不产生半乳糖苷酶。这种情况下，细菌便会自动优先利用葡萄糖，因为葡萄糖果是比乳糖更好的能源。1969 年，贝克维斯（JRBeckwith）从大肠杆菌的 DNA 中分离出乳糖操纵子，完全证实了雅可布和莫诺的模型。操纵子学说是 FJacob 和 JMonod 在 1961 年提出的有关蛋白质合成调节机制的学说。其主要内容是：（1）结构基因的直接产物 mRNA 是一种将
6、基因信息直接传达给蛋 白质的一种寿命很短的中间产物。mRNA 一合成，就脱离 DNA 而和核糖体 结合，并在核糖体上被翻译成多肽；与此同时，mRNA 也就破坏了。多肽合成后就脱离核糖体，而核糖体可被反复使用；（2）mRNA 的合成是从 DNA 链的固定点即操纵基因开始的，并按一定方向进行的；操纵基因控制着邻接的几个结构基因群（操纵子）的转录起始，因而操纵子是一个与转录有关的单位；（3）还有一种功能与结构基因和操纵基因不同的调节基因，它能产生胞质性阻遏物，这种阻遏物对特定的操纵基因具有亲和性，发生能进行可逆的结合；当它和操纵基因结合时，整个操纵子的转录便停止，为操纵子内各个基因所支配的蛋白质的合
7、成也因之停止；（4）阻遏物（R）具有与低分子的为效应物（F）相结合的性质，这种反应为RFRF。对于诱导酶来说，R 能和操纵基因结合，从而停止操纵子的转录。属于一种效应物的诱导物可使阻遏物失活，从而使转录恢复。对于阻遏酶来说，发生变化的阻遏物（R）具有活性，在没有效应物存在时，操纵子能进行转录，当存在效应物时，转录则受到阻遏。这个学说后来作了部分修正，但基本原则未变。由于这个研究，Jacob 和 Monod以及巴斯德研究所的 ALwoff 共同获得了 1965 年诺贝尔医学生理学奖。乳糖操纵子学说E.coli 的乳糖操纵子是原核生物基因表达调控的典型例子.1乳糖操纵子的结构大肠杆菌的乳糖操纵子含
8、 Z、Y 及 A 三个结构基因，分别编码 -半乳糖苷酶、透酶、乙酰基转移酶，此外还有一个操纵序列 O、一个启动序列 P 及一个调节基因。基因编码一种阻遏蛋白，后者与 O 序列结合，使操纵子受阻遏而处于转录失活状态。在启动序列 P 上游还有一个分解（代谢）物基因激活蛋白CAP 结合位点，由 P 序列、 O 序列和 CAP 结合位点共同构成 LAC 操纵子的调控区，三个酶的编码基因即由同一调控区调节，实现基因产物的协调表达。2阻遏蛋白的负性调节在没有乳糖存在时，乳糖操纵子处于阻遏状态。此时，基因列在 P 启动序列操纵下表达的乳糖阻遏蛋白与 O 序列结合，故阻断转录启动。阻遏蛋白的阻遏作用并非绝对，
9、偶有阻遏蛋白与 O 序列解聚。因此，每个细胞中可能会有寥寥数分子 半乳糖苷酶、透酶生成。当有乳糖存在时，乳糖操纵子即可被诱导。真正的诱导剂并非乳糖本身。乳糖经透酶催化、转运进入细胞，再经原先存在于细胞中的少数 -半乳糖苷酶催化，转变为别乳糖。后者作为一种诱导剂分子结合阻遏蛋白，使蛋白构型变化，导致阻遏蛋白与 O 序列解离、发生转录，使 -半乳糖苷酶分子增加 1000 倍。3CAP的正性调节分解代谢物基因激活蛋白 CAP 是同二聚体，在其分子内有 DNA 结合区及cAMP 结合位点。当没有葡萄糖及 cAMP 浓度较高时，cAMP 与 CAP 结合，这时 CAP 结合在乳糖启动序列附近的 CAP
10、位点，可刺激 RNA 转录活性，使之提高 50 倍；当葡萄糖存在时， cAMP 浓度降低，cAMP 与 CAP 结合受阻，因此乳糖操纵子表达下降。由此可见，对乳糖操纵子来说 CAP 是正性调节因素，乳糖阻遏蛋白是负性调节因素。两种调节机制根据存在的碳源性质及水平协调调节乳糖操纵子的表达。4对调节机制的解释大肠杆菌根据碳源性质选择代谢方式。倘若有葡萄糖存在时，细菌优先选择葡萄糖供应能量。葡萄糖通过降低 cAMP 浓度，阻碍 cAMP 与 CAP 结合而抑制乳糖操纵子转录，使细菌只能利用葡萄糖。在没有葡萄糖而只有乳糖的条件下，阻遏蛋白与 O 序列解聚，CAP 结合cAMP 后与乳糖操纵子的 CAP 位点，激活转录，使得细菌利用乳糖作为能量来源。
