乳糖操纵子调节机制

乳糖操纵子（lac operon）是最早发现的原核生物转录调控模式，属于典型的诱导型调控。乳糖代谢酶基因的表达特点是：在环境中没有乳糖时，这些基因处于关闭状态；只有当环境中有乳糖时，这些基因才被诱导开放，合成乳糖代谢所需要的酶。

（一）乳糖操纵子的结构

大肠埃希菌的乳糖操纵子含Z、Y及A 3个结构基因，分别编码β－半乳糖苷酶（β－galactosidase）、通透酶（permease）和乙酰基转移酶（transacetylase）。此外还有3个操纵序列（operator，O）、1个启动序列（promoter，P）及1个调节基因I（图12－2a）。

操纵序列O1是主要的调节位点，邻近转录起始位点，阻遏蛋白可与它所含反向重复序列稳定结合；O2和O3则为第2级调节位点，前者位于Z基因之后，后者位于I基因之后，两者与阻遏蛋白的亲和力较低。O1可与O2或O3配对形成局部DNA环状结构并与阻遏蛋白结合（图12－2b），无论哪种配对均可实施基因的阻遏。

I基因具有独立的启动序列（PI），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关闭状态。别乳糖（allolactose）或其类似物异丙基硫代半乳糖苷（isopropylthiogalactoside，IPTG）等可与阻遏蛋白结合，使其构象变化而去阻遏。

在启动序列P上游还有一个CAP结合位点。由P序列、O序列和CAP结合位点共同构成乳糖操纵子的调控区，调控3个酶的编码基因的开关，实现基因产物的协调表达（图12－2）。

图12－2 lac操纵子结构及其负性调节

（二）乳糖操纵子的调节

1．阻遏蛋白的负调节 没有乳糖时，乳糖操纵子阻遏蛋白与O序列结合，阻碍RNA pol与P序列结合，乳糖操纵子处于关闭状态。阻遏蛋白的阻遏作用并非绝对，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个分子的β－半乳糖苷酶、通透酶生成，这种低水平的基因表达是乳糖操纵子实施调控的基础（图12－3a）。

有乳糖时，乳糖经通透酶催化转运进入细胞，再经细胞中的少数β－半乳糖苷酶催化，转变为别乳糖。后者作为一种诱导剂可与阻遏蛋白结合而使其变构，导致阻遏蛋白与O序列解离，RNA pol可顺利与P序列结合，完成转录起始过程，乳糖代谢酶的表达最高可增加1 000倍（图12－3d）。

IPTG对乳糖操纵子而言是一种作用极强的诱导剂，不被细菌代谢而十分稳定，因此在实验室广泛应用。

2．CAP的正性调节 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结合在乳糖操纵子启动序列附近的CAP位点，可提高RNA转录活性约50倍；当有葡萄糖存在时，cAMP浓度降低，cAMP与CAP结合受阻，lac操纵子的表达下降。

3．协同调节 乳糖操纵子阻遏蛋白的负调节与CAP的正调节在乳糖操纵子的表达过程中呈现协调作用。乳糖操纵子启动子是一个弱启动子，当乳糖操纵子阻遏蛋白阻止转录时，CAP对该系统不能发挥作用（图12－3a、b）；但如果没有CAP来加强转录活性，即使阻遏蛋白从操纵序列上解聚，转录活性依然很低（图12－3c）。由于这两种机制相辅相成、互相协调、相互制约，对乳糖操纵子而言，最强的诱导作用发生在乳糖存在而葡萄糖匮乏的情况下。

乳糖操纵子的负调节阐明了细菌在单纯乳糖存在时，通过去阻遏提高乳糖代谢酶的表达，从而利用乳糖作为碳源。但在有葡萄糖或葡萄糖/乳糖共存时，细菌会优先利用葡萄糖。这是因为有葡萄糖时，cAMP浓度会降低，阻碍cAMP与CAP结合而降低乳糖操纵子的转录活性，使细菌只能利用葡萄糖。葡萄糖对乳糖操纵子的阻遏作用称分解代谢阻遏（catabolic repression）。乳糖操纵子协同调节机制如图12－3所示。

图12－3 乳糖操纵子的协同调节

（a）有葡萄糖、无乳糖，阻遏蛋白封闭转录，cAMP低浓度，CAP不能发挥作用，基因关闭；（b）低葡萄糖、无乳糖，阻遏蛋白封闭转录，cAMP高浓度，CAP能发挥作用，基因依然关闭；（c）高葡萄糖、有乳糖，去阻遏，但因有葡萄糖存在，cAMP低浓度，CAP不能发挥作用，基因低水平表达，催化乳糖转化为别乳糖，解除阻遏；（d）无葡萄糖、有乳糖，既去阻遏，又因cAMP高浓度，CAP发挥作用，基因高水平表达