精選百科
本文由作者推薦
操縱子
核苷酸序列
基本信息
| 中文名 | 操縱子 |
| 外文名 | operon |
| 類(lèi)型 | 轉錄功能單位 |
| 分類(lèi) | 基因 |
| 又稱(chēng) | 操縱子或操縱元 |
介紹
操縱子（operon）：指包含結構基因、操縱基因以及啟動(dòng)基因的一些相
原核生物
操縱子
阿拉伯糖
阿拉伯糖操縱子 ara operon
阿拉伯糖操縱子是指令合成糖分解代謝所需酶系的操縱子，它具有正、負調節的功能。
結構和功能
阿拉伯糖的代謝是由araB、araA和araD基因所編碼的三種酶的催化的。其特點(diǎn)是：
⑴AraC蛋白是雙功能的，單純的araC蛋白結合于araO1(-100～-144）（操縱基因），起到阻遏的作用；當araC蛋白和誘導物Ara結合形成的復合體是Cind（CinducedPro.誘導型araC蛋白），它結合于araI區（-40～-78）使RNA Pol（RNA聚合酶）結合于PBAD位點(diǎn)（+140），轉錄araB、araA、araD三個(gè)基因；
⑵C蛋白結合araO1時(shí)也反饋性地阻遏了其本身的表達；
⑶araC蛋白的兩種狀態(tài)（Cind和Crep）功能不同，結合的位點(diǎn)也不同Cind結合于araI
⑷ara操縱子的araC蛋白還可以調節分散的基因araE和araF，因此，轉錄單位也稱(chēng)調節子（regulon）；
⑹Pc啟動(dòng)子和araO1重疊。
調控
當Glu(葡萄糖)和Ara（阿拉伯糖）都存在時(shí)，araC蛋白基因轉錄，產(chǎn)生少量的C蛋白，結合于araO1（-106~-144），使RNA聚酶不能結合PC啟動(dòng)子，使araC的轉錄受到阻遏。
當有Ara存在，而沒(méi)有Glu時(shí)，Ara可作為糖源。此時(shí)Ara和少量的araC蛋白結合形成了誘導型的araC蛋白—Cind，它作為正調控因子結合于araI，促進(jìn)了araPBAD的轉錄，產(chǎn)生了araB、araA、araD 3種酶，促使Ara分解；
當Ara不存在或者用過(guò)完了，過(guò)量的araC蛋白可以結合則araO1上，阻礙RNA聚合酶在此區域結合，從而關(guān)閉了操縱子；或者結合到araI（-40~-78）和araO2上，彼此相互作用形成了環(huán)，阻遏了PBAD和PC的啟動(dòng)。
乳糖
乳糖操縱子包括調節基因、啟動(dòng)子、操縱區和結構基因。
大腸桿菌的lac操縱子受到兩方面的調控：一是對RNA聚合酶結合到啟動(dòng)子上的調控（正調控）；二是對操縱基因的調控（負調控）。
操縱子
在含乳糖的培養基中加入葡萄糖時(shí)，不能利用乳糖的原因是：在lac操縱子的調控中，有降解物基因活化蛋白（CAP），當它特異地結合在啟動(dòng)子上時(shí)，能促進(jìn)RNA聚合酶與啟動(dòng)子結合，促進(jìn)轉錄（由于CAP的結合能促進(jìn)轉錄，稱(chēng)為陽(yáng)性調控方式）。但游離的CAP不能與啟動(dòng)子結合，必須在細胞內有足夠的cAMP時(shí)，CAP首先與cAMP形成復合物，此復合物才能與啟動(dòng)子相結合。葡萄糖的降解產(chǎn)物能降低細胞內cAMP的含量，當向乳糖培養基中加入葡萄糖時(shí)，造成cAMP濃度降低，CAP便不能結合在啟動(dòng)子上。此時(shí)即使有乳糖存在，RNA聚合酶不能與啟動(dòng)子結合，雖已解除了對操縱基因的阻遏，也不能進(jìn)行轉錄，所以仍不能利用乳糖。
色氨酸
色氨酸操縱子的基本結構
色氨酸操縱子
大腸桿菌色氨酸操縱子結構較簡(jiǎn)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(fā)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(dòng)子、操縱基因和162bp 的前導序列組成。5 個(gè)結構基因全長(cháng)約6800bp,trpD遠側還有一個(gè)二級啟動(dòng)子，在細胞生長(cháng)需要過(guò)量Trp時(shí)發(fā)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(gè)結構基因中的6 個(gè)依次排列為trpE,trpD,trpC,trpF,trpB,trpA，存在于含有12個(gè)結構基因的芳香族氨基酸超操縱子( aro operon ），第7 個(gè)結構基因,trpG存在于葉酸合成操縱子中，該酶參與Trp 和葉酸的合成。有2個(gè)啟動(dòng)子參與調控，一個(gè)位于aro operon的起始位置，另一個(gè)則位于trpE 上游約200 bp處。
色氨酸操縱子的調控作用途徑
Trp合成途徑較漫長(cháng)，消耗大量能量和前體物，如絲氨酸、PRPP（5-磷酸核糖-1-焦磷酸）、谷氨酰氨等，是細胞內最昂貴的代謝途徑之一，因此受到嚴格調控，其中色氨酸操縱子發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用。調控作用主要有三種方式：阻遏作用、弱化作用以及終產(chǎn)物Trp 對合成酶的反饋抑制作用。
阻遏作用
trp操縱子轉錄起始的調控是通過(guò)阻遏蛋白實(shí)現的。產(chǎn)生阻遏蛋白的基因是trpR，該基因距trp operon基因簇很遠。它結合于trp 操縱基因特異序列，阻止轉錄起始。但阻遏蛋白的DNA結合活性受Trp調控，Trp起著(zhù)一個(gè)效應分子的作用，Trp與之結合的動(dòng)力學(xué)常數為1～2 ×10- 5mol·L - 1。在有高濃度Trp存在時(shí)，阻遏蛋白- 色氨酸復合物形成一個(gè)同源二聚體，并且與色氨酸操縱子緊密結合，因此可以阻止轉錄。阻遏蛋白- 色氨酸復合物與基因特異位點(diǎn)結合的能力很強，動(dòng)力學(xué)常數為2 ×10- 10mol·L - 1，因此細胞內阻遏蛋白數量?jì)H有20～30分子已可充分發(fā)揮作用。當Trp 水平低時(shí)，阻遏蛋白以一種非活性形式存在，不能結合DNA。在這樣的條件下，trp操縱子被RNA聚合酶轉錄，同時(shí)Trp 生物合成途徑被激活。
弱化作用
trp操縱子轉錄終止的調控是通過(guò)弱化作用（ attenuation）實(shí)現的。在大腸桿菌trp operon，前導區的堿基序列包括4個(gè)分別以1、2、3和4表示的片段，能以?xún)煞N不同的方式進(jìn)行堿基配對，1 - 2和3 -4配對，或2 - 3配對，3 - 4配對區正好位于終止密碼子的識別區。前導序列有相鄰的兩個(gè)色氨酸密碼子，當培養基中Trp 濃度很低時(shí)，負載有Trp 的tRNATrp也就少，這樣翻譯通過(guò)兩個(gè)相鄰色氨酸密碼子的速度就會(huì )很慢，當4區被轉錄完成時(shí)，核糖體滯留1區，這時(shí)的前導區結構是2 - 3配對，不形成3 - 4配對的終止結構，所以轉錄可繼續進(jìn)行。反之，核糖體可順利通過(guò)兩個(gè)相鄰的色氨酸密碼子，在4區被轉錄之前，核糖體就到達2區，這樣使2 - 3不能配對，3 - 4 區可以配對形成終止子結構，轉錄停止。
枯草桿菌的弱化作用機制另有特點(diǎn)。因其色氨酸操縱子結構的特殊性，轉錄起始的調節似乎不如轉錄終止的調節更具重要性。枯草桿菌色氨酸操縱子表達主要受到色氨酸激活RNA結合蛋白( Trp -activated RNA - binding p rotein,TRAP）的調節。該蛋白與色氨酸結合被激活后，可與trpE上游轉錄產(chǎn)物結合，導致轉錄終止。當色氨酸濃度較低時(shí)，TRAP失活，轉錄可以繼續，結構基因得以表達。另外枯草桿菌對未負荷色氨酸的tRNATrp也很敏感，后者大量堆積，會(huì )誘導合成抗TRAP 蛋白（ anti -TRAP,AT）。AT與Trp激活的TRAP結合，可以取消其轉錄終止活性。trpG表達也受TRAP調控，活化的TRAP與和trpG相重疊的S - D 序列結合，阻礙核糖體的結合，抑制trpG轉錄。
反饋抑制作用
由于基因表達必然消耗一定的能源和前體物，相對于阻遏和弱化作用，反饋抑制作用更為經(jīng)濟和高效。終產(chǎn)物Trp對催化分支途徑幾步反應的酶具有反饋抑制作用，其50%抑制濃度分別為：鄰氨基苯甲酸合酶，0. 0015 mmol·L - 1 ；鄰氨基苯甲酸磷酸核糖轉移酶，0. 15 mmol·L - 1 ; 色氨酸合成酶,7. 7mmol·L - 1。對于普通野生菌株，鄰氨基苯甲酸合酶對Trp合成起到關(guān)鍵調控作用，常被稱(chēng)為瓶頸酶；但對高產(chǎn)Trp工程菌而言，上述任何一種酶的反饋抑制都會(huì )直接影響Trp產(chǎn)量。研究發(fā)現酶蛋白某些特殊位點(diǎn)突變可以導致對反饋抑制作用敏感性顯著(zhù)下降，如鄰氨基苯甲酸合酶38位的絲氨酸被精氨酸取代，抗反饋抑制能力顯著(zhù)提高，當環(huán)境中Trp濃度為10 mmol·L - 1時(shí)酶活性不受影響，而相同條件下野生型酶活性不到1%。鄰氨基苯甲酸磷酸核糖轉移酶162位纈氨酸被谷氨酸取代，抗反饋抑制能力也有顯著(zhù)提高，當環(huán)境中含有0. 83 mmol·L - 1色氨酸或0. 32 mmol·L - 1 5 - 甲基- 色氨酸時(shí)，酶活性分別為野生菌的3. 6倍和2. 4倍。陳小芳等報道一株谷氨酸棒桿菌鄰氨基苯甲酸合酶基因7個(gè)堿基突變導致6個(gè)氨基酸殘基改變，抗反饋抑制能力顯著(zhù)增強，環(huán)境中Trp 濃度達到15 mmol·L - 1時(shí)，鄰氨基苯甲酸合酶活性幾乎沒(méi)有變化。
色氨酸操縱子遺傳改造
由于色氨酸操縱子的調控作用，自然界不可能存在高產(chǎn)Trp菌株，為了獲得高產(chǎn)Trp菌株，就必須對色氨酸操縱子進(jìn)行改造，解除其調節作用。早期的研究策略主要依靠傳統誘變方法，經(jīng)過(guò)長(cháng)期努力，獲得了一些有價(jià)值的研究結果，如獲得了TrpR - 菌株，通過(guò)缺失某些片斷解除了弱化作用，得到了一些抗反饋抑制的酶。許多Trp生產(chǎn)菌株都是通過(guò)隨機的誘變技術(shù)篩選得到的，如王健等通過(guò)硫酸二乙酯誘變，Trp 類(lèi)似物篩選等方法從谷氨酸棒桿菌中培育出一株trp 高產(chǎn)菌株，搖瓶發(fā)酵64 h，產(chǎn)trp達到7. 28 g·L - 1。
傳統誘變的方法盡管有效，但其缺陷點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的，如工作量大，效率低，突變株的菌體生長(cháng)、對環(huán)境的耐受性以及遺傳穩定性等都比野生型菌株差等。基因工程技術(shù)的建立和發(fā)展對色氨酸操縱子改造提供了新的技術(shù)平臺。1979年Tribe等人采用DNA重組技術(shù)對大腸桿菌進(jìn)行改造，擴增trp 操縱子，發(fā)酵12 h，產(chǎn)酸1 g·L - 1，產(chǎn)酸量盡管不是很高，但是其意義卻十分重大，由此開(kāi)創(chuàng )了基因工程技術(shù)在Trp生物合成應用的先河。隨后，Aiba等將帶有色氨酸操縱子的質(zhì)粒引入大腸桿菌，發(fā)酵27 h，并補充鄰氨基苯甲酸，得到trp 6. 2 g·L - 1。Ikeda等通過(guò)構建穩定質(zhì)粒，擴增分支途徑限速酶并改造中心代謝途徑，獲得產(chǎn)Trp 達58 mg ·L - 1 的菌株。除了擴增表達操縱子基因，對其進(jìn)行理性設計和改造也開(kāi)始引起關(guān)注。已知酶分子某些特殊位點(diǎn)突變可以導致對反饋抑制作用敏感性下降，因此可以考慮利用基因工程技術(shù)對色氨酸操縱子結構基因進(jìn)行理性改造降低其對反饋抑制的敏感性，但是Z至今尚缺乏成功的范例，主要原因在于現有酶分子反饋抑制結構與功能關(guān)系資料不足，不能滿(mǎn)足需要。
代謝工程理論與色氨酸操縱子調控研究
1991年，Bailey用代謝工程描述利用DNA重組技術(shù)對細胞的酶反應、物質(zhì)運輸以及調控功能的遺傳操作，進(jìn)而改良細胞生物活性的過(guò)程，標志著(zhù)代謝工程向一門(mén)系統學(xué)科發(fā)展的轉折點(diǎn)。代謝工程亦稱(chēng)途徑工程，以區別于傳統的單基因表達（第一代基因工程）和基因定向突變（第二代基因工程），是有目的地對細胞生化反應的代謝網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行修飾的技術(shù)，在多基因水平上設計修飾細胞固有的代謝途徑和遺傳性狀，并賦予細胞更為優(yōu)越甚至嶄新的產(chǎn)物生產(chǎn)品質(zhì)。代謝工程在提高宿主細胞原有代謝物的產(chǎn)量、產(chǎn)生新物質(zhì)、擴展和構建新代謝途徑、生產(chǎn)代謝產(chǎn)物如氨基酸、抗生素、維生素以及降解環(huán)境污染物等諸多方面顯示出廣闊的應用前景。從理論上提高Trp產(chǎn)率是代謝工程的首要任務(wù)，這需要對Trp生物合成和對細胞內控制Trp 代謝的異化途徑有很好的了解，同時(shí)還要有一個(gè)在較寬的微生物代謝網(wǎng)絡(luò )內描述這些途徑的有效的數學(xué)模型。早期的模型主要考慮色氨酸操縱子動(dòng)力學(xué)的某個(gè)方面，僅有少數研究模型，綜合考慮了色氨酸操縱子的三種作用機制。修志龍等將代謝工程理論引入trp代謝分析領(lǐng)域，建立了適宜的數學(xué)模型，發(fā)現在代謝穩定的條件下，阻遏水平和酶的反饋抑制強度嚴重地影響了目標變量，即trp 濃度。Santillan等人提出的動(dòng)力模型采用Second Lyapunov’s method分析，通過(guò)對野生菌株和幾株改良菌株（鄰氨基苯甲酸合成酶反饋抑制和弱化作用分別解除）的性能進(jìn)行比較、驗證，得出結論認為酶的反饋抑制對于系統穩定性具有重要作用，而弱化作用影響較小，主要在Trp營(yíng)養發(fā)生改變時(shí)發(fā)生作用。這兩個(gè)模型有一定的代表性，它們考慮了酶的反饋抑制，對于Trp生物合成具有一定指導意義；但其不足也很明顯，僅僅考慮了鄰氨基苯甲酸合成酶的反饋抑制作用，對其它酶未作考慮，另外一個(gè)不足是缺乏高產(chǎn)色氨酸菌株來(lái)加以驗證。
轉錄的基元
操縱子包含一個(gè)或以上的結構基因，這個(gè)結構基因會(huì )被轉錄成為一個(gè)多基因性的mRNA。一個(gè)單一的mRNA分子會(huì )為多于一個(gè)蛋白質(zhì)編碼。在結構基因上游的是啟動(dòng)子序列，能給核糖核酸聚合酶（RNA聚合酶）提供結合位點(diǎn)及引發(fā)轉錄。在啟動(dòng)子附近的是一組DNA稱(chēng)為操縱基因。操縱子亦會(huì )包含調控基因，如阻遏基因能為調控蛋白質(zhì)編碼，使之與操縱基因結合及阻止轉錄。調控基因未必是操縱子的一部份，但是位于基因組的某一處。阻遏基因會(huì )到達操縱基因阻礙結構基因的轉錄。 原核生物的一個(gè)轉錄區段可視為一個(gè)轉錄單位，也稱(chēng)作操縱子。
啟動(dòng)子
主條目：?jiǎn)?dòng)子
一個(gè)啟動(dòng)子是一組DNA序列能使一個(gè)基因進(jìn)行轉錄。啟動(dòng)子是由RNA聚合酶所確認，并且引發(fā)轉錄。在RNA的合成中，啟動(dòng)子是一種方法區分哪一個(gè)基因用作制造mRNA，及進(jìn)而控制細胞制造哪一種蛋白質(zhì)。
操縱基因
操縱基因是DNA的一節能調控與操縱子連結的結構基因的活動(dòng)，這種調控是透過(guò)獨特阻遏基因或活躍基因的相互作用。這是一個(gè)調控過(guò)程將基因“關(guān)掉”或“開(kāi)啟”。
基因調節
在負向可誘導操縱子中，一個(gè)調節的阻遏蛋白質(zhì)一般會(huì )與操縱基因結合，并阻止操縱子中基因的轉錄。若存在著(zhù)一個(gè)誘導物分子，它會(huì )與阻遏蛋白結合，并改變它的構造，使它不能與操縱基因結合。這可以使操縱基因的轉錄發(fā)生。
在負向可阻遏操縱子中，操縱子的基因轉錄一般都會(huì )發(fā)生。阻遏蛋白質(zhì)會(huì )由調控基因所產(chǎn)生，但它們卻不能夠與操縱基因結合。但是，某些稱(chēng)為共同抑制物的分子可以與阻遏蛋白質(zhì)結合，并改變它的構造，使得它能與操縱基因結合。活躍化的阻遏蛋白質(zhì)會(huì )與操縱基因結合，并阻止轉錄。
操縱子亦可以是正向調控的。當存在正向調控時(shí)，活躍基因會(huì )與DNA結合（一般是在非操縱基因的位點(diǎn)）而引發(fā)轉錄。
在正向可誘導操縱子中，活躍蛋白質(zhì)一般不能與適切的DNA結合。但是，某些基底分子可以與活躍蛋白質(zhì)結合，并改變它的構造，使之能與DNA結合及令轉錄進(jìn)行。
在正向可阻遏操縱子中，活躍蛋白質(zhì)一般都會(huì )與適切的DNA段結合。但是，某些分子可以與活躍基因結合，以阻止它與DNA的結合，從而阻止轉錄的發(fā)生。
操縱子數量組織
操縱子的數量及組織可以從大腸桿菌的研究中得知。預測可以基于基因組序列。
其中一個(gè)方法是使用不同讀架中基因間的距離作為基因組中操縱子數量的主要預測工具。這個(gè)分隔只會(huì )改變讀架及確保讀數的效能。在操縱子開(kāi)始及結束的地方有較長(cháng)的延伸，一般可以是40-50堿基對。
若考慮分子的機能類(lèi)，操縱子的預測則更準確。細菌會(huì )團集它的讀架成單元，隱藏在蛋白質(zhì)復合物、共同途徑、或分享的底物及運載物中。因此，若有著(zhù)所有這些資料及數據，預測會(huì )更準確，但這實(shí)際上是一項艱深的工作。
內部連結
基因調節網(wǎng)絡(luò )
L-阿拉伯糖操縱子：另一種經(jīng)廣泛研究，大腸桿菌的操縱子。
蛋白質(zhì)生物合成
遺傳密碼
原核生物
操縱子相關(guān)的文章
癲癇是指由腦部神經(jīng)元的過(guò)度放電引起的一種急性、反復發(fā)作、短暫性、重復性、刻板性的腦功能紊亂。癲癇發(fā)作是由腦部神經(jīng)元的過(guò)度放電引起的。分為特發(fā)性癲癇、癥狀性癲癇，隱源性癲癇，癥狀性癲癇最常見(jiàn)的病因有腦血管疾病、腦外傷、發(fā)育異常、感染、腫瘤和退行性病變、寄生蟲(chóng)等。癲癇發(fā)作表現為意識、運動(dòng)、植物神經(jīng)和精神
矢澤愛(ài)（日文：矢沢 あい），日本漫畫(huà)家、插畫(huà)家，1967年3月7日出生于日本兵庫縣。主要作品有《一起去吹吹風(fēng)》《天堂之吻》《娜娜》《近所物語(yǔ)》《圣學(xué)園天使》等。
卡拉奇(烏爾都語(yǔ)：?????,信德語(yǔ)：?????)，是巴基斯坦第一大城市，位于巴基斯坦南部海岸、印度河三角洲西北部，南瀕臨阿拉伯海，居萊里河與瑪利爾河之間的平原上。人口約2000萬(wàn)，面積3527平方公里，其中城區面積1821平方公里。[4]卡拉奇屬于亞熱帶沙漠氣候，一年大部分時(shí)間高溫少雨，炎熱難耐，冬季（1、2月）平均最低氣溫13℃，夏季(5、6月)平均最高氣溫34℃。雨量稀少，年平均降水量?jì)H200毫米。[4]2019年12月26日，位列2019年全球城市500強榜單第117名。
阿斯旺(阿拉伯語(yǔ)：?????)，埃及南部城市，阿斯旺省首府，位于尼羅河東岸，人口約20萬(wàn)，著(zhù)名古城、旅游景點(diǎn)和貿易中心。阿斯旺是世界上最干燥的地方之一，自2006年5月13日以來(lái)，阿斯旺沒(méi)測得任何降水。在古埃及時(shí)期，阿斯旺被認為是埃及民族的發(fā)源地。它位于尼羅河第一瀑布以北，是埃及和努比亞之間的貿易重鎮，其名據說(shuō)是古埃及語(yǔ)“貿易”一詞的對音。
尚可名片
這家伙太懶了，什么都沒(méi)寫(xiě)！
作者
