Lac 操纵子是如何监管的

基因表达是基于特定基因编码的信息合成功能性蛋白质的多肽链。特定蛋白质的合成量可以通过基因表达的调节来调节。基因的差异表达可以在蛋白质合成的各个步骤中实现。然而，基因表达的调控在真核和原核基因中是不同的。 Lac 操纵子是一组负责大肠杆菌乳糖代谢的基因。 lac操纵子表达的调节是响应培养基中的乳糖和葡萄糖水平而实现的。在介绍性分子和细胞生物学研究中，lac 操纵子的调控被用作原核基因调控的首要例子。

涵盖的关键领域

1. 什么是基因表达调控 – 定义，基因表达的调控 2. 什么是 Lac Operon – 基因产物的定义、结构、功能 3. Lac Operon 是如何监管的 – 紫胶阻遏物，CAP

关键术语：分解代谢物激活蛋白 (CAP)、大肠杆菌、基因表达、葡萄糖、Lac 操纵子、Lac 阻遏物、乳糖代谢

什么是基因表达调控

基因表达的调节是指细胞用来增加或减少特定基因产物（蛋白质或 RNA）的产生的广泛机制。它是在蛋白质合成的各个步骤中实现的，如下所述。

复制级别 – DNA 复制过程中发生的突变可能会导致基因表达的改变。
转录水平 – 特定基因的转录可以由阻遏物和激活物控制。
转录后水平——基因表达可以在转录后修饰（如 RNA 剪接）过程中实现。
翻译水平 – mRNA 分子的翻译可以由各种过程控制，例如 RNA 干扰途径。
翻译后水平 – 通过控制翻译后修饰，可以在翻译后水平调节蛋白质的合成。

然而，原核生物中基因表达的调控主要是在转录起始阶段实现的。它涉及正向调节基因表达的激活剂和负向调节基因表达的阻遏物。蛋白质合成不同阶段基因表达的调控如图1所示。

图 1：基因表达的调控

什么是 Lac Operon

lac 操纵子是指负责大肠杆菌乳糖代谢的一组基因。因此，lac 操纵子是大肠杆菌基因组的一个功能单元。 lac 操纵子中的所有基因都由单个启动子控制。因此，操纵子中的所有基因都被一起转录。基因产物是负责将乳糖运输到细胞的细胞质中并将乳糖消化成葡萄糖的蛋白质。葡萄糖用于细胞呼吸以产生 ATP 形式的能量。 lac 操纵子也可能存在于许多其他肠道细菌中。 lac操纵子的结构如图2所示。

图 2：Lac Operon

lac 操纵子由单个启动子控制的三个基因组成。这些基因是 乳糖酶, 花边，和 乳糖酶.这些基因由参与乳糖代谢的三种酶编码，分别称为β-半乳糖苷酶、β-半乳糖苷渗透酶和β-半乳糖苷转乙酰酶。 β-半乳糖苷酶参与将乳糖分解成葡萄糖和半乳糖。 β-半乳糖苷渗透酶嵌入细胞膜中，使乳糖能够转运到细胞质中。 β-半乳糖苷转乙酰酶参与将乙酰基从乙酰辅酶 A 转移到 β-半乳糖苷。 lac 操纵子的转录产生多顺反子 mRNA 分子，该分子从单个 mRNA 分子产生所有三种基因产物。通常，lacZ 和 lacY 基因产物足以分解乳糖。

除了这三个基因外，lac操纵子还由许多 监管区域 各种蛋白质可以结合以控制转录。 lac 操纵子中的关键调控序列是启动子、操纵子和分解代谢物激活蛋白 (CAP) 结合位点。这 发起人 作为 RNA 聚合酶的结合位点，该酶负责基因的转录。这 操作员 作为 lac 阻遏物结合的负调节位点。这 CAP结合位点 作为 CAP 结合的正调控位点。

原核基因中基因表达的调节通过 诱导操纵子 其中不同类型的蛋白质结合，根据细胞的需要激活或抑制操纵子的转录。 Lac操纵子是一种诱导型操纵子。它允许在能量生产中使用乳糖，一种二糖，通过将其转化为葡萄糖，当葡萄糖不可用于细胞时，葡萄糖可以很容易地用于细胞呼吸。基于细胞中葡萄糖的存在，lac操纵子在“关闭”和“开启”状态下受到调节。 lac 阻遏蛋白负责 lac 操纵子的“关闭”模式，而 CAP 负责 lac 操纵子的“开启”模式。

紫胶阻遏物

lac 阻遏物是指乳糖传感器，它在葡萄糖存在的情况下阻断 lac 操纵子的转录。与乳糖相比，在细胞呼吸中使用葡萄糖需要更少的能量生产步骤。因此，当细胞中存在葡萄糖时，它很容易在细胞通路中分解以产生能量。此外，当葡萄糖用于呼吸时，应避免将乳糖用于前一目的，以实现细胞呼吸的最大效率。在这种情况下，lac 操纵子转录的阻断是通过 lac 阻遏物与 lac 操纵子的操纵子区域的结合来实现的。通常，操纵子区域与启动子区域重叠。因此，当 lac 阻遏物与操纵基因区结合时，RNA 聚合酶无法与启动子区结合，因为没有完整的启动子区。当细胞中容易获得葡萄糖而无法获得乳糖时，lac 阻遏物会与操纵子区域紧密结合，从而抑制 lac 操纵子的转录。 lac操纵子的调控如图3所示。

图 3：Lac 操纵子的调节

分解代谢物活化蛋白 (CAP)

CAP 蛋白是指激活 lac 操纵子转录的葡萄糖阻遏物。当细胞耗尽葡萄糖并且胞质溶胶内很容易获得乳糖时，lac 阻遏物就会失去与 DNA 结合的能力。因此，它从操纵子区域漂浮，使启动子区域可用于与 RNA 聚合酶结合。当乳糖可用时，一些分子会转化为 异乳糖，乳糖的小异构体。异乳糖与 lac 阻遏物的结合导致它从操纵子区域松动。因此，异乳糖充当诱导剂，触发 lac 操纵子的表达。此外，lac操纵子也被认为是诱导型操纵子。

然而，单独的 RNA 聚合酶无法与启动子区域完美结合。因此，CAP 有助于 RNA 聚合酶与启动子的紧密结合。它与启动子上游的 CAP 结合位点结合。 CAP 与 DNA 的结合受一种称为 环 AMP (cAMP).在没有葡萄糖的情况下，cAMP 充当大肠杆菌产生的饥饿信号。 cAMP 与 CAP 的结合改变了 CAP 的构象，使 CAP 能够与 lac 操纵子的 CAP 结合位点结合。然而，当细胞内的葡萄糖水平非常低时，cAMP 存在于细胞中。因此，只有当细胞无法获得葡萄糖时，才能激活 lac 操纵子。总之，当细胞内没有葡萄糖而乳糖可用时，可以实现 lac 操纵子的激活。当细胞中既不存在葡萄糖又不存在乳糖时，lac 阻遏物仍会与 lac 操纵子结合，从而阻止操纵子的转录。

葡萄糖	乳糖	机制	规定
缺席的	展示	CAP 绑定到 CAP 绑定站点	lac操纵子的表达
展示	缺席的	lac 阻遏物与操纵子区域结合	抑制lac操纵子

结论

lac 操纵子是一种诱导型操纵子，其中乳糖代谢所需的蛋白质存在于基因簇中。因此，lac操纵子的转录产生了能够合成多种基因产物的多顺反子mRNA分子。 lac 操纵子仅在细胞内没有葡萄糖和乳糖存在时表达，用于细胞呼吸。当葡萄糖容易获得而乳糖不可用时，lac 阻遏物与 lac 操纵子的操纵子区域结合。 CAP 与 lac 操纵子的操纵子结合，在葡萄糖不可用时帮助转录，而乳糖很容易获得。因此，细胞变得能够利用细胞呼吸中的乳糖来产生能量。

图片提供：

1. ArneLH 的“基因表达控制” – 通过 Commons Wikimedia 自己的作品（CC BY-SA 3.0） 2. 通过 Commons Wikimedia 的“Lac operon1”（公共领域） 3. 通过 Commons Wikimedia 的“Lac operon”（CC BY 2.0）