原核生物基因调控

原核细胞的细胞质核区包含一个环状染色体，该染色体通过其 DNA 组织成一个超螺旋环状结构。被称为操纵子的 DNA 块用于编码特定功能所需的蛋白质。例如，在乳糖（或 lac）操纵子中，利用乳糖作为燃料所需的所有基因都彼此靠近。

三种类型的调控分子——阻遏蛋白、激活蛋白和诱导物——可以影响原核细胞中操纵子的表达。与在外部刺激下促进基因转录的激活蛋白不同，阻遏蛋白是抑制基因转录的蛋白质。最后，诱导物是基于细胞需求和底物可用性激活或阻遏转录的小分子化学物质。

在细菌和古细菌中，功能相关的结构蛋白——例如，编码催化单一生物化学途径中各个步骤的酶的基因——通常在基因组中作为一个操纵子被一起编码，并在单个启动子的指导下共转录。因此，会产生多顺反子转录本。由于它们要么需要同时使用，要么根本不需要，启动子同时控制着这些结构基因的转录调控。

法国巴斯德研究所的研究员 François Jacob（1920-2013）和 Jacques Monod 通过对大肠杆菌 lac 操纵子的研究，首次揭示了细菌基因如何排列成操纵子。他们发现，大肠杆菌中 lac 操纵子的唯一启动子（包括所有编码利用乳糖作为能量来源所需的酶的结构基因）就是 lac 启动子。为了表彰他们的工作，他们于1965年获得了生理学或医学诺贝尔奖。
尽管真核生物基因不组织成操纵子，但原核操纵子是理解一般基因调控的极好模型。几个真核基因簇的功能类似于操纵子。许多思想可以应用于真核系统，这将有助于我们理解真核基因表达的变化如何导致癌症等病理异常。

调控操纵子转录的 DNA 序列可能位于称为调控区域的区域，并且存在于每个操纵子中。调控区域包括启动子及其周围区域，转录因子（由调控基因编码的蛋白质）可以在此结合。为了转录结构基因，RNA 聚合酶必须首先结合到启动子。转录因子影响这个过程。一种称为阻遏蛋白的转录因子与位于启动子的 RNA 聚合酶结合位点和第一个结构基因的转录起始位点之间的操纵子调控区域内的 DNA 序列结合，以响应外部刺激，从而阻止基因的转录。这个操纵子调控区域参与调控基因表达。在物理上，当阻遏蛋白结合时，RNA 聚合酶无法转录结构基因。通过使 RNA 聚合酶更容易结合到启动子，激活蛋白另一方面是一种转录因子，它响应外部刺激而增加基因的转录。第三类调控分子，称为诱导物，是非常小的分子，它们与激活蛋白或阻遏蛋白相互作用，以促进或阻止转录。

在原核生物中，存在一些操纵子的实例，其基因产物通常是必需的，但其表达不受控制。这些操纵子是组成性表达的，这意味着它们被持续翻译和转录，为细胞提供稳定的中间水平的蛋白质产物。这些基因产生必需的代谢酶以及参与细胞维持任务（如 DNA 复制、修复和表达）的基因。另一方面，其他细菌操纵子仅在需要时才表达，并由阻遏蛋白、激活蛋白和诱导物控制。

基因表达调控

为了使细胞正常运作，必须为必需蛋白质的产生提供适当的时间。由于我们体内不同细胞的独特功能，特定类型细胞中的并非所有 DNA 编码的基因都会被翻译成 RNA 或转录成蛋白质。与心脏中的专业化蛋白质（起搏器细胞、心肌和瓣膜）相比，构成哺乳动物（包括人类）的专业化蛋白质（虹膜、晶状体和角膜）仅在眼睛中表达。

基因表达是激活基因以产生 RNA 和蛋白质的过程。每个细胞都调控基因表达的时间和方式，无论该生物是简单的单细胞生物还是复杂的。多细胞生物。精密的调控系统控制着基因的表达方式。在原核生物等单细胞生物中，它确保细胞的资源不会浪费在细胞在特定时刻不需要的蛋白质上。在多细胞生物中，它允许细胞分化。阐明控制基因表达的过程对于我们了解人类健康至关重要。当这个机制功能障碍时，人们就会出现癌症和其他疾病。为了理解某种传染病，理解病原体的基因表达与其人类宿主的基因表达之间的相互作用至关重要。

操纵子

执行相似任务的细菌基因，例如催化单一代谢过程各个阶段的酶的基因，被集体控制并靠近位于 DNA 上。这组基因共享一个调控区域，该区域调节单元的转录和一个启动子。

这个基因集合称为操纵子。

操纵子被转化为多顺反子 mRNA，这是一个包含制造多个蛋白质所需信息的单个 mRNA。启动子同时控制这些结构基因的转录调控，这些结构基因要么同时需要，要么根本不需要。

通过将相似的基因分组在一个调控机制下，细菌能够快速适应环境变化。

色氨酸操纵子：阻遏操纵子

像大肠杆菌这样的细菌没有氨基酸就无法生存。色氨酸是大肠杆菌可以从环境中摄取的氨基酸之一。大肠杆菌能够利用由五个不同基因表达的酶合成色氨酸。这五个基因都是色氨酸操纵子（trp）的一部分。如果环境中已经存在色氨酸，大肠杆菌就不必合成它，因此控制 trp 操纵子基因激活的开关被禁用。

当色氨酸供应不足时，控制操纵子、转录、基因表达和色氨酸合成的开关被激活。

启动子、操纵子和称为 trpE、trpD、trpC、trpB 和 trpA 的五个基因都存在于 trp 操纵子中，并以特定顺序排列在 DNA 上。启动子被 RNA 聚合酶结合。当色氨酸存在时，由于 trp 阻遏蛋白结合到操纵子上并阻止 RNA 聚合酶通过操纵子，因此 RNA 合成被抑制。在没有色氨酸的情况下，阻遏蛋白与操纵子分离。现在操纵子可以滑开，转录可以开始。

在 trp 操纵子内，有五个基因对大肠杆菌合成色氨酸是必需的。当氨基酸丰富时，两个色氨酸分子结合到操纵子序列上的阻遏蛋白。因此，RNA 聚合酶无法物理转录色氨酸基因。在没有色氨酸的情况下，色氨酸是阻遏蛋白连接到操纵子的必需物质，从而阻止基因的转录。

编码区是指编码蛋白质的 DNA 序列。在染色体上，操纵子包含色氨酸生物合成酶的五个编码区。转录起始位点是紧接在编码区之前的一个区域。当 RNA 聚合酶结合到 DNA 的该区域时，转录就可以开始。每个操纵子都有一个位于启动子内部或附近的区域，蛋白质（激活蛋白或阻遏蛋白）可以结合并调控转录。启动子序列位于转录起始点之上。

在启动子区域和第一个 trp 编码基因之间，存在一个称为操纵子序列的 DNA 序列。操纵子的 DNA 编码存在，阻遏蛋白可以与之结合。当细胞中有色氨酸时，两个色氨酸分子结合到 trp 阻遏蛋白，导致其改变形状并结合到 trp 操纵子。当色氨酸-阻遏蛋白复合物结合到操纵子时，RNA 聚合酶无法结合，也无法转录下游基因。

当细胞中不存在色氨酸时，操纵子是活跃的，并且会合成色氨酸，因为阻遏蛋白本身不结合到操纵子上。trp 操纵子受到负调控，并且结合到操纵子上以抑制 trp 表达的蛋白质称为负调控因子。这是因为阻遏蛋白主动结合到操纵子上以保持基因关闭。

在 trp 操纵子内，有五个基因对大肠杆菌合成色氨酸是必需的。当氨基酸丰富时，两个色氨酸分子结合到操纵子序列上的阻遏蛋白。这会物理上阻止 RNA 聚合酶转录色氨酸基因。在没有色氨酸的情况下，阻遏蛋白未能连接到操纵子上，从而允许基因转录。

分解代谢激活蛋白 (CAP)：激活调控因子

结合到操纵子序列的蛋白质充当正调控因子，激活并开启基因，就像色氨酸分子负调控 trp 操纵子一样。例如，当葡萄糖缺乏时，大肠杆菌细菌可以使用其他糖源。为此，需要转录新基因来处理这些替代基因。随着血糖水平下降，细胞中环磷酸腺苷 (cAMP) 开始积累。在大肠杆菌中，信号分子 cAMP 控制葡萄糖和能量的代谢。当细胞的葡萄糖水平下降时，正调控因子分解代谢激活蛋白 (CAP)，这是一种结合控制替代糖代谢的操纵子启动子的蛋白质，就会被激活。然后，积累的 cAMP 与 CAP 结合。cAMP 和 CAP 相互作用产生的复合物结合到使用替代糖源所需的基因的启动子区域。这些操纵子的启动子在上游有一个 RNA 聚合酶结合位点。这增强了基因的表达能力以及 RNA 聚合酶结合到启动子区域的能力。当葡萄糖水平下降时，大肠杆菌可以使用其他糖作为燃料，尽管这样做需要转录额外的基因。随着葡萄糖来源的限制，cAMP 水平升高。CAP 蛋白和 cAMP 结合到需要使用替代糖源的基因上游的操纵子区域。

Lac 操纵子：诱导操纵子

乳糖操纵子（lac 操纵子）是许多肠杆菌（包括大肠杆菌）中乳糖转运和代谢的关键操纵子。虽然大多数细菌首选葡萄糖作为其碳源，但 lac 操纵子在葡萄糖不易获得的情况下能够有效地消化乳糖。β-半乳糖苷酶的作用使其成为可能。作为第一个得到充分研究的遗传调控系统，lac 操纵子的基因调控是原核基因调控的一个显著例子。因此，它经常在分子和细胞生物学入门课程中进行讨论。François Jacob 和 Jacques Monod 研究了乳糖代谢系统，以了解生物细胞如何决定合成哪种酶。他们因对 lac 操纵子的研究于1965年获得了诺贝尔生理学奖。

细菌操纵子是从单个 mRNA 转录本产生的多蛋白生产的多顺反子转录本。在这种情况下，当细菌需要乳糖作为糖源时，lac 操纵子的三个基因——lacZ、lacY 和 lacA——可以表达，并且会翻译出它们产生的蛋白质。乳糖是一种二糖，通过酶 β-半乳糖苷酶分解成葡萄糖和半乳糖，该酶是 lacZ 基因产物。β-半乳糖苷酶渗透酶是一种膜蛋白，整合到细胞膜中以允许乳糖进入细胞，由 lacY 编码。最后，lace 产生 β-半乳糖苷转移酶。

在没有乳糖或存在更优选的能源（如葡萄糖）的情况下产生酶将是浪费的。lac 操纵子采用两部分调控系统，以确保细胞仅利用能量来生产其被编程编码的酶。在没有乳糖的情况下，lac 阻遏蛋白 lacI 可防止 lac 操纵子的酶产生。除非协同诱导物与其结合，否则 lac 阻遏蛋白会一直产生。换句话说，只有在存在温和的协同诱导物分子时才会发生转录。EIIAGlc 抑制乳糖渗透酶，以阻止乳糖进入细胞，并且在葡萄糖存在时，合成酶所必需的分解代谢激活蛋白 (CAP) 是失活的。这种双重调控机制导致双向生长，即葡萄糖和乳糖在两个不同的发育阶段顺序利用。