操縱基因

控制操縱子中結構基因、轉錄的基因，位置在操縱子的前端。在誘導系統中，當調節基因產物阻遏蛋白和操縱基因相結合時，核糖核酸多聚酶就不能通過操縱基因，因而信使核糖核酸的合成受到阻礙，使酶的合成停止。誘導物可以和阻遏蛋白相結合而使它失去活性，從而不再和操縱基因相結合，這樣酶的合成便又開始。在阻遏系統中當代謝最終產物不足時，調節基因產物阻遏蛋白不和操縱基因結合。當代謝最終產物合成過多時，過多的代謝最終產物就會和相應的阻遏蛋白相結合，這樣的阻遏蛋白具有活性，就能和操縱基因結合，從而阻止有關操縱子中結構基因的轉錄。。

基本資料　

操縱子

英文對照 operatorgene;operator;operatorlocus

結構基因編碼區之前的DNA區段，它可結合阻遏物或活化物。操縱基因位於基因的啟動子後面或與啟動子重疊，可控制一個鄰近基因或基因群的表達。

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。
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）。

乳糖操縱子機制

乳糖操縱子

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。
色氨酸操縱子

色氨酸操縱子負責調控色氨酸的生物合成，它的激活與否完全根據培養基中有無色氨酸而定。當培養基中有足夠的色氨酸時，該操縱子自動關閉；缺乏色氨酸時，操縱子被打開。色氨酸在這裡不是起誘導作用而是阻遏，因而被稱作輔阻遏分子，意指能幫助阻遏蛋白發生作用。色氨酸操縱子恰和乳糖操縱子相反。

鑑定方法

操縱基因

DNA上蛋白質的結合部位,如一種操縱基因，如何能夠鑑定出來呢?　原來操縱基因是靠阻遏物的專一結合以免除核酸酶(nuclease)的攻擊的，通過DNA片段的分離與序列測定，即可確定其結構。但是這是一件極吃力的工作。利用限制性內切酶可以確切分離出蛋白質所接觸的部位的片段，就可以鑑定操縱基因的結構，與測定DNA序列的化學法相似，測定操縱基因的基本原則是：如果一條DNA片段被放射性原子所標記，這條鏈中任何斷裂部位從所產生的標記片段的大小即可推導出來。DNA片段的大小可以用高分辨的聚丙烯醯胺凝膠電泳所確定。這種方法稱為足跡圖法(foot-printing method)，這是仿照用紙層析鑑定蛋白質的指紋圖法(finger printing method)命名的。結合部位靠結合蛋白使核酸酶的酶切作用被保護而不被切割。靠這種方法可以了解蛋白質在何處與DNA的糖磷酸酯骨架上的鹼基及磷酸進行特殊接觸。

基本結構

操縱基因的結構圖

有許多種操縱基因用足跡法定位並進行了DNA序列分析，將影響阻遏物結合的操縱基因突變的特性加以描述，它們最重要的特徵是反向重複(inverted repeat)或毗鄰重複(near repeat)。例如，用核酸酶消化DNA與lac阻遏物的複合體，分離得到一個乳糖操縱基因片段，由24bp組成，其中約有16個是與二重對稱軸有關，以第11位鹼基為中心，其結構如右圖。操縱基因的序列測定出來後就使人們了解到這種對稱能夠使阻遏蛋白多聚體的兩亞基可以同時結合在操縱基因上，從而阻礙了轉錄的發生。

研究成果

二重對稱軸

以X射線晶體學測定幾種結合蛋白與DNA的三維結構，得出一些驚人的結果。它們表明調節蛋白(阻遏蛋白)與特異的DNA部位是如何結合的。第一個測定的結構是E.coli CAP蛋白的結構，隨後不久，λCro蛋白、A阻遏物及噬菌體434的阻遏蛋白(λ的近親)先後測定成功。有如晶體學家預測的那樣，活性結合單位為兩個相同的球狀多肽鏈的二聚體，在空間以相反的取向形成一個二重對稱軸的構象，與DNA的結合部位的結構相吻合(右圖)。

調節蛋白與DNA的結合是由兩股較短而鄰近的α-螺鏇形成。λ阻遏蛋白結構是在第2及第3個α-螺鏇上，Cro和CAP也有類似結構。在λ阻遏蛋白中螺鏇3從蛋白質表面突出，與其對手(即λ阻遏蛋白二聚體第二個亞基)恰好以B-DNA(3.4nm)的螺鏇重複距離相隔開。模型表明螺鏇3與大溝恰相吻合，於是阻遏蛋白二聚體通過每個單體的螺鏇3與操縱基因的一半相互接觸而與DNA的一側相結合。大部分接觸是由大溝的鹼基邊沿與螺鏇3側鏈的氫鍵靠互補完成。下列事實有力地證實這個模型，即影響λ阻遏蛋白與操縱基因的大多數突變種都是改變兩個相鄰α-螺鏇的胺基酸。最近這個模型己用噬菌體434X射線分析直接證實。　

“多彩”證據

操縱基因的現實證據

科學家們已經建立了一個系統，可以幫助他們研究細菌中的基因是怎樣在工作的，這是通過將其插入到鼠中完成的。最新套用的這一系統的一個試驗產生了令人毛骨悚然的結果：基因工程鼠可以根據它所飲用的水改變它皮毛的顏色。研究者經常通過可看到的發生的變化來描繪基因在不工作時是怎樣的。其中在鼠中，“基因敲除”(“knocking out”gene)是時下流行的方法，但是很多基因敲除在鼠的胚胎髮育之前就會將其殺死。所以這一研究基因開關的方法就有了它們自身的局限性。

借用細菌遺傳學中的一個技巧，位於Charlottesville的維吉尼亞大學的神經遺傳學家Heidi Scrable和他的同事現在已經將一種廣泛研究的調節系統套用於實驗鼠。這個系統含有一種蛋白，被稱為lac抑制子，它能結合一段DNA序列，這段序列被稱為lac操縱子。一旦結合DNA，lac抑制子就會阻止其他蛋白的啟動以及將DNA信息轉錄成RNA。但是如果lac抑制子結合乳糖——一種普遍的，可食用的糖，它就不會再發生作用，而使DNA得到轉錄。研究者無意識的研究著許多lac抑制子基因的突變體，終於他們發現了一種可在鼠中工作的。

這個小組的原理的證據在“基因和發育”(Genes and Development)上做了描述，是很生動的。科學家們構建了一種人造的lac操縱子的DNA分子，並連入了酪氨酸酶的基因中，酪氨酸酶有助於產生黑色素。科學家們將這種DNA分子放入攜帶細菌起源的lac抑制子基因的鼠中，該小鼠自身的酪氨酸酶基因已經缺失了。Lac抑制子阻止了人工插入的酪氨酸酶基因的表達，這樣就產生了白化鼠。但是當這種鼠喝下含有乳糖的化學類似物的水時，lac抑制子就釋放了DNA，酪氨酸酶基因就被打開，鼠就可以變回棕色。當鼠再喝下正常水時，基因又被關閉，鼠又變回白色。