详细版乳糖操纵子一、操纵子(operon)细菌能随环境的变化，迅速改变某些基因表达的状态，这就是很好的基因表达调控的实验模型人们就是从研究这种现象开始，打开认识基因表达调控分子机理的窗口的7/18/202221.操纵子的提出 大肠杆菌可以利用葡萄糖、乳糖、麦芽糖、阿拉伯糖等作为碳源而生长繁殖，当培养基中含有葡萄糖和乳糖时，细菌优先利用葡萄糖，当葡萄糖耗尽，细菌停止生长，经过短时间的适应，就能利用乳糖，细菌继续呈指数式繁殖增长7/18/202237/18/20224 大肠杆菌利用乳糖至少需要两个酶：促使乳 糖 进 入 细 菌 的 半 乳 糖 透 过 酶(lactose permease)和催化乳糖分解第一步的 半乳糖苷酶(-galactosidase)7/18/20225 在环境中没有乳糖或其他-半乳糖苷时，大肠杆菌合成-半乳糖苷酶量极少，加入乳糖2-3分钟后，细菌大量合成-半乳糖苷酶，其量可提高千倍以上，在以乳糖作为唯一碳源时，菌体内的-半乳糖苷酶量可占到细菌总蛋白量的3%在上述二阶段生长细菌利用乳糖再次繁殖前，也能测出细菌中-半乳糖苷酶活性显著增高的过程7/18/202267/18/20227 这种典型的诱导现象，是研究基因表达调控极好的模型。
针对大肠杆菌利用乳糖的适应现象，法国的Jocob和Monod等人做了一系列遗传学和生化学研究实验，于1961年提出乳糖操纵子（lac operon）学说7/18/20228据外媒报道，1965年诺贝尔医学或生理学奖得主之一、法国分子遗传学家弗朗索瓦雅各布（FrancoisJacob）于2013年4月19日在法国巴黎逝世，享年92岁雅各布1920年6月17日生于法国东北部城市南锡，1947年获得巴黎大学医学博士学位在他的研究生涯中，雅各布与JacquesLucienMonod、AndreLwoff在微生物遗传调控方面微生物遗传调控方面做出了杰出的贡献最显著的贡献是确立了最显著的贡献是确立了Jacob-Monod操纵子模型，解释了原核基因调控操纵子模型，解释了原核基因调控的原理他还研究了作为DNA和核糖体之间媒介，mRNA参与蛋白质合成的作用机制这些工作，让FrancoisJacob与JacquesLucienMonod、AndreLwoff分享了1965年诺贝尔医学或生理学奖7/18/20229lCollaborationbetweenmentorandstudentwonaNobelPrize.Ithasnotbeencommoninthehistory.Onlytheluckyones,whowerewillingtosharethecreditandlivedlong,pannedoutintheend.ThatwaswhyIrememberthisstory:lTheteacher-studentteam:FranoisJacob(1920-2013),student.JacquesMonod(1910-1976),Lwoffscolleauge.AndrLwoff(1902-1994),Jacobsmentor.Notableawards:1965NobelPrizeinMedicine.Hesharedthe1965NobelPrizeinMedicinewithJacquesMonodandAndrLwoff(1902-1994).7/18/202210业内人士评论认为，沃森和克里克发现了DNA结构，雅各布等人的工作则揭示了遗传信息如何传递。
AnythingfoundtobetrueofE.colimustalsobetrueofelephants,claimedbyJacquesMonod.“大肠杆菌的基因调控的任何发现,也适用于大象基因调控7/18/2022112.操纵子的基本组成 乳糖操纵子模型已被许多研究实验所证实，对其有了更深入的认识，并且发现其他原核生物基因调控也有类似的操纵子组织，操纵子是原核基因表达调控的一种重要的组织形式，大肠杆菌的基因多数以操纵子的形式组成基因表达调控的单元下面就以乳糖操纵子为例子说明操纵子的最基本的组成元件（elements）7/18/202212它由依次排列的调节基因、cAMP受体蛋白CRP位点、启动子、操纵基因和3个相连的编码利用乳糖的酶的结构基因组成7/18/202213(1)结构基因群 操纵子中被调控的编码蛋白质的基因可称为结构基因(structural gene,SG)一个操纵子中含有2个以上的结构基因，多的可达十几个每个结构基因是一个连续的开放阅读框(open reading frame),5端有起始密码ATG，3端有终止密码TAA、TGA或TAG各结构基因头尾衔接、串连排列，组成结构基因群。
7/18/202214 至少在第一个结构基因5侧具有核糖体结合位点(ribosome binding site,RBS)，因而当这段含多个结构基因的DNA被转录成多顺反子mRNA，就能被核糖体所识别结合、并起始翻译核糖体沿mRNA移动，在合成完第一个编码的多肽后，核糖体可以不脱离mRNA而继续翻译合成下一个基因编码的多肽，直至合成完这条多顺反子mRNA所编码的全部多肽7/18/202215 乳糖操纵子含有、和3个结构基因基因长3510bp，编码含1170个氨基酸、分子量为135,000的多肽，以四聚体形式组成有活性的-半乳糖苷酶，催化乳糖转变为别乳糖(allolactose)，再分解为半乳糖和葡萄糖；7/18/202216基因长780bp，编码有260个氨基酸、分子量为30,000的半乳糖透过酶，促使环境中的乳糖进入细菌；基因长825bp，编码275氨基酸、分子量为32,000的转乙酰基酶，以二聚体活性形式催化半乳糖的乙酰化7/18/202217 基因5侧具有大肠杆菌核糖体识别结合位点（RBS）特征的Shine-Dalgarno(SD)序列，因而当乳糖操纵子开放时，核糖体能结合在转录产生的mRNA上。
由于、三个基因头尾相接，上一个基因的翻译终止密码靠近下一个基因的7/18/202218翻译起始密码，因而同一个核糖体能沿此转录生成的多顺反子（polycistron）mRNA移动，在翻译合成了上一个基因编码的蛋白质后，不从mRNA上掉下来而继续沿mRNA移动合成下一个基因编码的蛋白质，一气依次合成这基因群所编码所有的蛋白质7/18/2022197/18/202220(2)(2)启动子启动子 启动子(promoter,P)是指能被RNA聚合酶识别、结合并启动基因转录的一段DNA序列操纵子至少有一个启动子，一般在第一个结构基因5侧上游，控制整个结构基因群的转录用RNA聚合酶与分离的一段DNA双链混合，再加入外切核酸酶去水解DNA，结果只有被RNA聚合酶识别结合而被保护的那段DNA不被水解，由此可以测出启动子的范围及其序列7/18/202221(3)(3)操纵区操纵区 操纵区（operator）是指能被调控蛋白特异性结合的一段DNA序列，常与启动子邻近或与启动子序列重叠，当调控蛋白结合在操纵子序列上，会影响其下游基因转录的强弱7/18/202222 以前将操纵区称为操纵基因（operator gene）。
但现在基因定义是为蛋白质或RNA编码的核酸序列，而操纵序列并不是编码蛋白质的基因，却是起着调控基因表达强弱的作用，正如启动序列不叫启动基因而称为启动子一样，操纵序列就可称为操纵区operon译为操纵子，即基因表达操纵的单元之意7/18/202223以乳糖操纵子中的操纵区为例，其操纵区（o）序列位于启动子（p）与被调控的基因之间，部分序列与启动子序列重叠仔细分析操纵区序列，可见这段双链DNA具有回文（palindrome）样的对称性一级结构，能形成十字形的茎环（stem loop）构造不少操纵区都具有类似的对称性序列，可能与特定蛋白质的结合相关7/18/202224阻遏蛋白与操纵区结合，就妨碍了RNA聚合酶与启动子的结合及其后-半乳糖苷酶等基因的转录起始，从而阻遏了这群基因的表达最早只把与阻遏蛋白结合、起阻遏作用的序列称为操纵区，但其后发现有的操纵子中7/18/202225同一操纵序列与不同构像的蛋白质结合，可以分别起阻遏或激活基因表达的作用，阿拉伯糖操纵子中的操纵序列就是典型的例子因而凡能与调控蛋白特异性结合、从而影响基因转录强弱的序列，不论其对基因转录的作用是减弱、阻止或增强、开放，都可称为操纵区。
7/18/202226（4）调节基因 调节基因(regulatory gene)是编码能与操纵序列结合的调控蛋白的基因调控蛋白有：阻遏蛋白(repressive protein)：与操纵区结合后能减弱或阻止其调控的基因转录，其介 导 的 调 控 方 式 为 负 调 控(negative regulation)；7/18/202227激活蛋白(activating protein)：与操纵区结合后能增强或起动其调控的基因转录，所介导的调控方式为正调控(positive regulation)7/18/202228某些特定的物质能与调控蛋白结合，使调控蛋白的空间构像发生变化，从而改变其对基因转录的影响，这些特定物质可称为效应物（effector）有两种：诱导剂(inducer)：能引起诱导发生的分子；阻遏剂或辅助阻遏剂(corepressor)：能导致阻遏发生的分子7/18/202229例如在乳糖操纵子中，调节基因lac I位于Plac邻近，有其自身的启动子和终止子，转录方向和结构基因群的转录方向一致，编码产生由347个氨基酸组成的调控蛋白R在环境没有乳糖存在的情况下，R形成分子量为152,000的活性四聚体，能特异性与操纵区紧密结合，从而阻止利用乳糖的酶类基因的转录，所以R是乳糖操纵子的阻遏蛋白；7/18/202230 当环境中有足够的乳糖时，乳糖与R结合，使R的空间构像变化，四聚体解聚成单体，失去与操纵区特异性紧密结合的能力，从而解除了阻遏蛋白的作用，使其后的基因得以转录合成利用乳糖的酶类。
在这过程中乳糖就是诱导剂，与R结合起到去阻遏作用(derepression)，诱导了利用乳糖的酶类基因转录开放7/18/202231 许多调控蛋白都是变构蛋白（allosteric protein），通过与上述类似的方式与效应物结合改变空间构像，从而改变活性，起到调节基因转录表达的作用7/18/202232（5）终止子 终止子（terminator，T）是给予RNA聚合酶转录终止信号的DNA序列在一个操纵子中至少在结构基因群最后一个基因的后面有一个终止子7/18/202233 它们都在结构基因的附近，只能对同一条DNA链上的基因表达起调控作用，这种作用在遗传学实验上称为顺式作用（cis-action），启动子、操纵子和终止子就属于顺式作用元件（cis-acting element）调控基因可以在结构基因群附近、也可以远离结构基因，它是通过其基因产物调控蛋白来发挥作用的，因而调控基因不仅能对同一条DNA链上的结构基因起表达调控作用，而且7/18/202234能对不在一条DNA链上的结构基因起作用，在遗传学实验上称为反式作用（trans-action），调控基因就属于反式作用元件（trans-acting element），其编码产生的调控蛋白称为反式调控因子（trans-acting factor）。
由此也可窥测到基因表达调控机理的关键在蛋白质与核酸的相互作用上7/18/202235二、乳糖操纵子的表达调控7/18/2022367/18/2022377/18/2022381.阻遏蛋白的负调控 当大肠杆菌在没有乳糖的环境中生存时，lac操纵子处于阻遏状态此基因在其自身的启动子Pi控制下，低水平、组成性表达产生阻遏蛋白R，每个细胞中仅维持约10个分子的阻遏蛋白R以四聚体形式与操纵子结合，阻碍了RNA聚合酶与启动子Plac的结合，阻止了基因的转录起。