moleculart biology

操縱元(operon)的基本組成

乳糖操縱元模型被而後的許多研究實

驗所證實，對其有了更深入的認識，並且發

現其他原核生物基因調控也有類似的操縱

元組織，操縱元是原核基因表現調控的一種

重要的組織形式，大腸桿菌的基因多數以操

縱元的形式組成基因表現調控的單元。下面

就以半乳糖操縱元爲例子說明操縱元的最

基本的組成元件（elements）。

(一)結構基因群

操縱元中被調控的編碼蛋白質的基因可稱爲結構基因(structural gene, SG)。一個操縱元中含有 2個以上的結構基因，多的可達十幾個。每個結構基因是一個連續的開放讀框(open reading frame), 5’端有轉譯起始碼(DNA儲存鏈上是 ATG，轉錄成 mRNA就是AUG)，3’端有轉譯終止碼(DNA儲存鏈上是 TAA、TGA或 TAG，轉錄成 mRNA就是UAA、UGA 或 UAG)。各結構基因頭尾銜接、串連排列，組成結構基因群。至少在第一個結構基因 5’側具有核糖體結合位點(ribosome binding site, RBS)，因而當這段含多個結構基因的 DNA被轉錄成多順反子 mRNA，就能被核糖體所識別結合、並起始轉譯。核糖體沿 mRNA移動，在合成完第一個編碼的多 後，核糖體可以不脫離 mRNA而繼續轉譯合成下一個基因編碼的多 ，直至合成完這條多順反子 mRNA 所編碼的全部多。

乳糖操縱元含有ｚ、ｙ和ａ3個結構基因。ｚ基因長 3510bp，編碼含 1,170 個氨基酸、分子量爲 135,000 的多 ，以四聚體形式組成有

活性的β -半乳糖苷酶，催化乳糖轉變爲別乳

糖(allolactose)，再分解爲半乳糖和葡萄糖；ｙ

基因長 780bp，編碼有 260 個氨基酸、分子量爲 30,000的半乳糖滲透酶，促使環境中的乳糖

進入細菌；ａ基因長 825 bp，編碼 275氨基酸、分子量爲 32,000的轉乙醯基酶，以二聚體活性

形式催化半乳糖的乙醯化。ｚ基因 5’側具有大腸桿菌核糖體識別結合位點（ ribosome binding site，RBS）特徵的 Shan-Dagano(SD)序列，因而當乳糖操縱元開放時，核糖體能結合

在轉錄産生的 mRNA 上。由於ｚ、ｙ、ａ三個基因頭尾相接，上一個基因的轉譯終止碼靠近下一個基因的轉譯起始碼，因而同一個核糖體能沿此轉錄生成的多順反子

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（polycistron）mRNA移動，在轉譯合成了上一個基因編碼的蛋白質後，不從 mRNA上掉下來而繼續沿 mRNA 移動合成下一個基因編碼的蛋白質，一氣喝成依次合成這基因群所編碼所有的蛋白質。

(二)啓動子

啓動子(promoter, P)是指能被 RNA聚合酶識別、結合並啓動基因轉錄的一段 DNA序列。操縱元至少有一個啓動子，一般在第一個結構基因 5’側上游，控制整個結構基因群的轉錄。

用RNA聚合酶與分離的一

段 DNA雙鏈混合，再加入外切核酸酶去水解 DNA，結果只有被RNA聚合酶識別結合而被保

護的那段 DNA不被水解，由此可以測出啓動子的範圍及其序

列。雖然不同的啓動子序列有所

不同，但比較已經研究過的上百

種原核生物的啓動子的序列，發

現有一些共同的規律，它們一般

長 40-60 bp 含 A-T 鹼基對較多，某些段落是很相似的，這些

相似的保守性段落稱爲共有性序列(consensus sequences)。如圖 7-4所示，啓動子一般可

分爲識別（R，recognition）、結合（B，binding）和起始（I，initiation）三個區段。轉錄起始第一個鹼基（通常標記位置爲 +1）最常見的是 A；在 -10 bp附近有 TATAAT一組共有序列，因爲這段共有序列是 Pribnow首先發現的，稱爲 Pribnow盒（Pribnow box）；在 -35 bp處又有 TTGACA一組共有序列。

，

不同的啓動子序列不同，與 RNA聚合酶的親和力不同、啓動轉錄的頻率高低不同，

即不同的啓動子起動基因轉錄的強弱不同，例如：PL、PR、PT7 屬強啓動子，而 Plac 則

是較弱的啓動子。

操縱子

操縱子（operator）是指能被調控蛋白特異性結合的一段 DNA序列，常與啓動子鄰

近或與啓動子序列重疊，當調控蛋白結合在操縱子序列上，會影響其下游基因轉錄的強

弱。以前許多書中將操縱子稱爲操縱基因（operator gene）。但現在基因定義是爲蛋白質

編碼的核酸序列，而操縱序列並不是編碼蛋白質的基因，卻是起著調控基因表現強弱的

作用，正如啓動序列不叫啓動基因而稱爲啓動子一樣，操縱序列就可稱爲操縱子。以前

將 operon譯爲操縱子則可改譯爲操縱元，即基因表現操縱的單元之意。

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舉乳糖操縱元中的操縱子爲例，其操縱子（o）序列位於啓動子（p）與被調控的基因之間，部分序列與啓動子序列重疊。仔細分析這這操縱子序列，可見這段雙股 DNA具有迴文（palindrome）樣的對稱性一級結構，能形成十字形的莖環（stem loop）構造。不少操縱子都具有類似的對稱性序列，可能與特定蛋白質的結合相關。

抑制蛋

白與操縱子

結合，就妨礙

了 RNA聚合酶與啓動子的結合及其後 β-半乳糖苷酶等基因的轉錄起始，從而抑制了這群基因的表

現。最早只把與抑制蛋白結合、起抑制作用的序列稱爲操縱子，但其後發現有的操縱元

中同一操縱序列與不同構形的蛋白質結合，可以分別起抑制或啟動基因表現的作用，阿

拉伯糖操縱元中的操縱序列就是典型的例子。因而凡能與調控蛋白特異性結合、從而影

響基因轉錄強弱的序列，不論其對基因轉錄的作用是減弱、阻止或增強、開放，都可稱

爲操縱子。

調控基因

調控基因（regulatory gene）是編碼能與操縱序列結合的調控蛋白的基因。與操縱子結合後能減弱或阻止其調控基因轉錄的調控蛋白稱爲抑制蛋白（repressive protein），其引導的調控方式稱爲負性調控（negative regulation）；與操縱子結合後能增強或起動其調控基因轉錄的調控蛋白稱爲啟動蛋白（activating protein），所引導的調控方式稱爲正性

調控（positive regulation）。

某些特定的物質能與

調控蛋白結合，使調控蛋白

的空間構形發生變化，從而

改變其對基因轉錄的影

響，這些特定物質可稱爲效

應物（effector），其中凡能引起誘導發生的分子稱爲

誘導劑（inducer），能導致抑制發生的分子稱爲抑制劑或輔助抑制劑（corepressor）。

例如在乳糖操縱元中，調控基因 lac I位於 Plac鄰近，有其自身的啓動子和終止子，

轉錄方向和結構基因群的轉錄方向一致，編碼産生由 347個氨基酸組成的調控蛋白 R，在環境沒有乳糖存在的情況下，R形成分子量爲 152,000的活性四聚體，能特異性與操縱子ｏ緊密結合，從而阻止利用乳糖的酶類基因的轉錄，所以 R是乳糖操縱元的抑制蛋白；當環境中有足夠的乳糖時，乳糖受β-半乳糖苷酶作用轉變爲別乳糖，別乳糖與 R結合，使 R的空間構形變化，四聚體解聚成單體，失去與操縱子特異性緊密結合的能力，從而解除了抑制蛋白的作用，使其後的基因得以轉錄合成利用乳糖的酶類。在這過程中

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乳糖（實際起作用的是別乳糖）就是誘導劑，與 R結合起到去抑制作用（derepression），誘導了利用乳糖的酶類基因轉錄開放。

許多調控蛋白都是異位蛋白（allosteric protein），通過與上述類似的方式與效應物結合改變空間構形，從而改變活性，起到調節基因轉錄表現的作用。

終止子

終止子（terminator，T）是給予 RNA聚合酶轉錄終止信號的 DNA序列。在一個操縱元中至少在結構基因群最後一個基因的後面有一個終止子。

終止子按其作用是否需要蛋白因子的協助至少可以分爲兩類：一類是不依賴ρ因子

（蛋白性終止因子）的終止子，這類終止子在序列上有一些共通的特點，即有一段富含

GC 的反向重複序列（inverted repeat sequence），其後跟隨一段富含 AT 的序列（見圖7-6），因而轉錄生成的 mRNA 的序列中能形成髮夾式結構，後繼一連串 U，正是 RNA聚合酶轉錄生成的這段 mRNA的結構阻止 RNA聚合酶繼續沿 DNA移動、並使聚合酶

從 DNA 鏈上脫落下來，終止轉錄。另一類是依賴ρ因子的終止子，即其終止轉錄的作用需要ρ因子的協同，或至少是受ρ因子的影響。

不同的終止子的作用也有強弱之

分，有的終止子幾乎能完全停止轉錄；

有的則只是部分終止轉錄，一部分RNA聚合 能越過這類終止序列繼續沿

DNA 移動並轉錄。如果一串結構基因群中間有這種弱終止子的存在，則前後

轉錄産物的量會有所不同，這也是終止

子調節基因群中不同基因表現産物比

例的一種方式。有的蛋白因子能作用於終止序列，減弱或取消終止子的作用，稱爲抗終

止作用（antitermination），這種蛋白因子就稱爲抗終止因子（antiterminator）。

酶

以上 5種元件是每一個操縱元必需含有的。其中啓動子、操縱子位於緊鄰結構基因

群的上游，終止子在結構基因群之後，它們都在結構基因的附近，只能對同一條 DNA鏈上的基因表現起調控作用，這種作用在遺傳學實驗上稱爲順式作用（cis-action），啓

動子、操縱子和終止子就屬於順式作用元件（cis-acting element）。調控基因可以在結構基因群附近、也可以遠離結構基因，它是通過其基因産物──調控蛋白來發揮作用的，

因而調控基因不僅能對同一條 DNA 鏈上的結構基因起表現調控作用，而且能對不在一條 DNA鏈上的結構基因起作用，在遺傳學實驗上稱爲反式作用（trans-action），調控基因就屬於反式作用元件（trans-acting element），其編碼産生的調控蛋白稱爲反式調控因

子（trans-acting factor）。由此也可窺測到基因表現調控機序的關鍵在蛋白質與核酸的相互作用上。

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