操縱子學(xué)說(shuō)是1961年，法國科學(xué)家莫諾（J·L·Monod，1910-1976）與雅可布（F·Jacob）發(fā)表“蛋白質(zhì)合成中的遺傳調節機制”一文中提出的學(xué)說(shuō)，該學(xué)說(shuō)開(kāi)創(chuàng )了基因調控的研究。

中文名

操縱子學(xué)說(shuō)

提出者

莫諾（J·L·Monod，1910-1976）與雅可布（F·Jacob）

提出時(shí)間

1961年

應用學(xué)科

醫學(xué)

調節內容

基因編碼調節蛋白

適用領(lǐng)域

醫學(xué)

介紹

色氨酸操縱子

1961年，法國科學(xué)家莫諾（J·L·Monod，1910-1976）與雅可布（F·Jacob）發(fā)表“蛋白質(zhì)合成中的遺傳調節機制”一文，提出操縱子學(xué)說(shuō)，開(kāi)創(chuàng )了基因調控的研究。四年后的1965年，莫諾與雅可布即榮獲諾貝爾生理學(xué)與醫學(xué)獎。

莫諾與雅可布最初發(fā)現的是大腸桿菌的乳糖操縱子。這是一個(gè)十分巧妙的自動(dòng)控制系統，這個(gè)自動(dòng)控制系統負責調控大腸桿菌的乳糖代謝。

乳糖可作為培養大腸桿菌的能源。大腸桿菌能產(chǎn)生一種酶（叫做“半乳糖苷酶”），能夠催化乳糖分解為半乳糖和葡萄糖，以便作進(jìn)一步的代謝利用。編碼半乳糖苷酶的基因（簡(jiǎn)稱(chēng)z）是一個(gè)結構基因（structural gene）。這個(gè)結構基因與操縱基因共同組成操縱子。操縱基因受一種叫作阻遏蛋白的蛋白質(zhì)的調控。當阻遏蛋白結合到操縱基因之上時(shí)，乳糖會(huì )起誘導作用，它與阻遏蛋白結合，使之從操縱基因上脫落下來(lái)。這時(shí)，操縱基因開(kāi)啟，相鄰的結構基因也表現活性，細菌就能分解并利用乳糖了，這樣，乳糖便成了誘導半乳糖苷酶產(chǎn)生的誘導物。

上述內容表明，大腸桿菌的乳糖操縱子是一個(gè)十分巧妙的自動(dòng)控制系統：當培養基中含有充分的乳糖，同時(shí)不含葡萄糖時(shí)，細菌便會(huì )自動(dòng)產(chǎn)生半乳糖苷酶來(lái)分解乳糖，以資利用。當培養基中不含乳糖時(shí)，細菌便自動(dòng)關(guān)閉乳糖操縱子，以免浪費物質(zhì)和能量。

啟動(dòng)基因

60年代中期，在操縱子中還發(fā)現了另一個(gè)開(kāi)關(guān)基因，稱(chēng)為啟動(dòng)基因（promoter）。啟動(dòng)基因位于操縱基因之前，二者緊密相鄰。啟動(dòng)基因由環(huán)腺苷酸（cAMP）啟動(dòng)，而環(huán)腺苷酸能被葡萄糖所抑制。這樣，葡萄糖便通過(guò)抑制環(huán)腺苷酸而間接抑制啟動(dòng)基因，使結構基因失活，停止合成半乳糖苷酶。

由此可知，結構基因同時(shí)受兩個(gè)開(kāi)關(guān)基因——操縱基因與啟動(dòng)基因的調控。只有當這兩個(gè)開(kāi)關(guān)都處于開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)，結構基因才能活化。當培養基中同時(shí)存在葡萄糖和乳糖時(shí)，葡萄糖通過(guò)抑制環(huán)腺苷酸而間接抑制啟動(dòng)基因，并進(jìn)而抑制結構基因，使細菌不產(chǎn)生半乳糖苷酶。這種情況下，細菌便會(huì )自動(dòng)優(yōu)先利用葡萄糖，因為葡萄糖果是比乳糖更好的能源。

1969年，貝克維斯（J·R·Beckwith）從大腸桿菌的DNA中分離出乳糖操縱子，完全證實(shí)了雅可布和莫諾的模型。

在啟動(dòng)基因發(fā)現之前，莫諾和雅可布的操縱子模型中，直接對結構基因起操縱作用的開(kāi)關(guān)基因，僅有一個(gè)操縱基因。因此，有人開(kāi)玩笑說(shuō)：“半個(gè)操縱子就可以得諾貝爾獎”。對某一項成就，人們如果說(shuō)它的一半就可以實(shí)現某種重要作用，就表明這項成就的偉大。北宋時(shí)代的名臣趙普就有“半部論語(yǔ)就可以治天下”的名言，由此也可見(jiàn)操縱子學(xué)說(shuō)的巨大意義。

操縱子模型

一個(gè)控制細胞基因表達的模型稱(chēng)為操縱子（operon），此模型的提出使基因概念又向前邁出了一大步。表明人們已認識到基因的功能并不是固定不變的，而是可以根據環(huán)境的變化進(jìn)行調節。隨之人們發(fā)現無(wú)論是真核還是原核生物轉錄調節都是涉及到編碼蛋白的基因和DNA上的元件。這一發(fā)現獲得了1965年諾貝爾獎。一個(gè)基因就是一段編碼有功能產(chǎn)物的DNA順序。基因的產(chǎn)物可以是蛋白質(zhì)或是RNA（如tRNA和rRNA）。基因的重要特點(diǎn)是在有的情況下其產(chǎn)物能從合成位點(diǎn)散開(kāi)去作用別的位點(diǎn)。

DNA元件是DNA上一段順序，它不能轉變成任何其它的形式，但它作為一種原位（in situ）順序具有特殊的功能。由于它只能作用同一條DNA，因此稱(chēng)順式作用元件（cis-acting element）。

基因可以根據它們的產(chǎn)物分成不同的類(lèi)型。編碼細胞必要的蛋白，如酶或結構蛋白的基因稱(chēng)為結構基因（ structural genes）。這類(lèi)基因在細胞中占絕大部分，承擔著(zhù)細胞各種蛋白的結構和功能。編碼調節蛋白的基因稱(chēng)調節基因（regulator genes）。調節蛋白可調節其它基因的表達。由于調節基因的產(chǎn)物可以自由地結合到其相應的靶上，因此被為反式作用因子（trans-acting因子）。

調節的關(guān)鍵是調節基因編碼調節蛋白，此蛋白通過(guò)和DNA上特殊位點(diǎn)的結合來(lái)控制轉錄。順式作用元件被反式作用因子識別可以以“正”的或“負”的形式調節靶基因，順式作用位點(diǎn)通常總是在靶基因的上游。