基本介紹
- 中文名：大腸桿菌操縱子
- 外文名：E. coli operon
作用,分類,
作用
大腸桿菌等原核生物大多數基因表達調控是通過操縱子機制實現的。操縱子通常由 2個以上的編碼序列與啟動序列、操縱序列以及其他調節序列在基因組中成簇串聯組成。啟動序列是RNA聚合酶結合併啟動轉錄的特異DNA序列。多種原核基因啟動序列特定區域內，通常在轉錄起始點上游-10及-35區域存在一些相似序列，稱為共有序列。大腸桿菌及一些細菌啟動序列的共有序列在-10區域是TATAAT，又稱Pribnow盒（PribnowBox），在-35區域為 TTGACA。這些共有序列中的任一鹼基突變或變異都會影響RNA聚合酶與啟動序列的結合及轉錄起始。因此，與共有序列的一致度決定啟動序列的轉錄活性大小。操縱序列是原核阻遏蛋白的結合位點。當操縱序列結合阻遏蛋白時會阻礙RNA聚合酶與啟動序列的結合，或使RNA聚合酶不能沿DNA向前移動，阻遏轉錄，介導負性調節。原核操縱子調節序列中還有一種特異DNA序列可結合激活蛋白，使轉錄激活，介導正性調節。
操縱子在轉錄水平受到轉錄時機以及轉錄強度兩個水平受到調控。實現轉錄水平調控的分子機制有，特異性的轉錄因子(Specificity factors)，如細菌中的08因子；抑制子 (Repressors)，如lacl；General transcription factors轉錄因子；轉錄激活因子 (Activators)；增強子(Enhancers)等。os因子可以增加RNA聚合酶對其識別的壓力條件下啟動子的親和力，同時降低RNA聚合酶與持家基因啟動子的結合強 度，從而對不同基因進行轉錄調控。抑制子通過與DNA鏈的非編碼區結合，其 形成的空間結構阻礙RNA聚合酶與啟動子區域的結合，從而抑制基因的轉錄作 用及表達。增強子通常位於啟動子的上游較遠區域，增強子可以增強RNA聚合 酶與特定啟動子的結合強度，從而增強基因的轉錄水平。轉錄激活因子 (Activators)通過與RNA聚合酶的相互作用或改變DNA分子的結構從而改變 RNA聚合酶與啟動子的結合強度，進而調控基因的轉錄水平。這些轉錄水平的 調控分子都是操縱子的組成部分，可以調控操縱子中全部基因的表達調控。
分類
大腸桿菌的基因組結構已經研究的非常詳盡，有很多生物信息學的資料庫提供大腸桿菌基因內操縱子的結構。Regulon DB(http：//regulondb.ccg.unalll.rex/)是大腸桿菌轉錄調控和操作子資料庫，可以提供有文獻記載的所有操縱子的結構及其調控因子，並提供詳盡的原始文獻。Biocyc(http：//biocyc.org/)資料庫中的Genome Browse和Genome Overview等工具也提供詳細的大腸桿菌操縱子信息。Genome Browse中可以搜尋任一基因或操縱子，顯示結果包括操縱子在基因組上的位置，操縱子結構，與其作用的轉錄調控因子，啟動子序列等詳細信息。
大腸桿菌乳糖操縱子包括4類基因：①結構基因，能通過轉錄、翻譯使細胞產生一定的酶系統和結構蛋白，這是與生物性狀的發育和表型直接相關的基因。乳糖操縱子包含3個結構基因：lacZ、lacY、lacA。LacZ合成β—半乳糖苷酶，lacY合成透過酶，lacA合成乙醯基轉移酶。②操縱基因O，控制結構基因的轉錄速度，位於結構基因的附近，本身不能轉錄成mRNA。③啟動基因P，位於操縱基因的附近，它的作用是發出信號，mRNA合成開始，該基因也不能轉錄成mRNA。④調節基因i：可調節操縱基因的活動，調節基因能轉錄出mRNA，併合成一種蛋白，稱阻遏蛋白。操縱基因、啟動基因和結構基因共同組成一個單位——操縱子（operon）。 調節乳糖催化酶產生的操縱子就稱為乳糖操縱子。其調控機制簡述如下： 抑制作用：調節基因轉錄出mRNA，合成阻遏蛋白，因缺少乳糖，阻遏蛋白因其構象能夠識別操縱基因並結合到操縱基因上，因此RNA聚合酶就不能與啟動基因結合，結構基因也被抑制，結果結構基因不能轉錄出mRNA，不能翻譯酶蛋白。 誘導作用：乳糖的存在情況下，乳糖代謝產生別乳糖（alloLactose），別乳糖能和調節基因產生的阻遏蛋白結合，使阻遏蛋白改變構象，不能在和操縱基因結合，失去阻遏作用，結果RNA聚合酶便與啟動基因結合，並使結構基因活化，轉錄出mRNA，翻譯出酶蛋白。 負反饋：細胞質中有了β—半乳糖苷酶後，便催化分解乳糖為半乳糖和葡萄糖。乳糖被分解後，又造成了阻遏蛋白與操縱基因結合，使結構基因關閉。
大腸桿菌色氨酸操縱子結構較簡單，也是研究得最清楚的操縱子，結構基因依次排列為trpE,trpD,trpC,trpB,trpA，其中trpG與trpD 和trpC與trpF分別發生基因融合。trpE和trpG編碼鄰氨基苯甲酸合酶,trpD編碼鄰氨基苯甲酸磷酸核糖轉移酶，trpC編碼吲哚甘油磷酸合酶,trpF編碼異構酶，trpA和trpB分別編碼色氨酸合酶的α和β亞基。trpE的上游為調控區，由啟動子、操縱基因和162bp 的前導序列組成。5 個結構基因全長約6800bp,trpD遠側還有一個二級啟動子，在細胞生長需要過量Trp時發揮作用。一些G+菌，如枯草桿菌色氨酸操縱子的結構有所不同，7 個結構基因中的6 個依次排列為trpE,trpD,trpC,trpF,trpB,trpA，存在於含有12個結構基因的芳香族胺基酸超操縱子( aro operon ），第7 個結構基因,trpG存在於葉酸合成操縱子中，該酶參與Trp 和葉酸的合成。有2個啟動子參與調控，一個位於aro operon的起始位置，另一個則位於trpE 上游約200 bp處。
