操纵子（核苷酸序列）
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更新时间：2023-05-22
操纵子
核苷酸序列
基本信息
| 中文名 | 操纵子 |
| 外文名 | operon |
| 类型 | 转录功能单位 |
| 分类 | 基因 |
| 又称 | 操纵子或操纵元 |
介绍
操纵子（operon）：指包含结构基因、操纵基因以及启动基因的一些相
原核生物
操纵子
阿拉伯糖
阿拉伯糖操纵子 ara operon
阿拉伯糖操纵子是指令合成糖分解代谢所需酶系的操纵子，它具有正、负调节的功能。
结构和功能
阿拉伯糖的代谢是由araB、araA和araD基因所编码的三种酶的催化的。其特点是：
⑴AraC蛋白是双功能的，单纯的araC蛋白结合于araO1(-100～-144）（操纵基因），起到阻遏的作用；当araC蛋白和诱导物Ara结合形成的复合体是Cind（CinducedPro.诱导型araC蛋白），它结合于araI区（-40～-78）使RNA Pol（RNA聚合酶）结合于PBAD位点（+140），转录araB、araA、araD三个基因；
⑵C蛋白结合araO1时也反馈性地阻遏了其本身的表达；
⑶araC蛋白的两种状态（Cind和Crep）功能不同，结合的位点也不同Cind结合于araI
⑷ara操纵子的araC蛋白还可以调节分散的基因araE和araF，因此，转录单位也称调节子（regulon）；
⑹Pc启动子和araO1重叠。
调控
当Glu(葡萄糖)和Ara（阿拉伯糖）都存在时，araC蛋白基因转录，产生少量的C蛋白，结合于araO1（-106~-144），使RNA聚酶不能结合PC启动子，使araC的转录受到阻遏。
当有Ara存在，而没有Glu时，Ara可作为糖源。此时Ara和少量的araC蛋白结合形成了诱导型的araC蛋白—Cind，它作为正调控因子结合于araI，促进了araPBAD的转录，产生了araB、araA、araD 3种酶，促使Ara分解；
当Ara不存在或者用过完了，过量的araC蛋白可以结合则araO1上，阻碍RNA聚合酶在此区域结合，从而关闭了操纵子；或者结合到araI（-40~-78）和araO2上，彼此相互作用形成了环，阻遏了PBAD和PC的启动。
乳糖
乳糖操纵子包括调节基因、启动子、操纵区和结构基因。
大肠杆菌的lac操纵子受到两方面的调控：一是对RNA聚合酶结合到启动子上的调控（正调控）；二是对操纵基因的调控（负调控）。
操纵子
在含乳糖的培养基中加入葡萄糖时，不能利用乳糖的原因是：在lac操纵子的调控中，有降解物基因活化蛋白（CAP），当它特异地结合在启动子上时，能促进RNA聚合酶与启动子结合，促进转录（由于CAP的结合能促进转录，称为阳性调控方式）。但游离的CAP不能与启动子结合，必须在细胞内有足够的cAMP时，CAP首先与cAMP形成复合物，此复合物才能与启动子相结合。葡萄糖的降解产物能降低细胞内cAMP的含量，当向乳糖培养基中加入葡萄糖时，造成cAMP浓度降低，CAP便不能结合在启动子上。此时即使有乳糖存在，RNA聚合酶不能与启动子结合，虽已解除了对操纵基因的阻遏，也不能进行转录，所以仍不能利用乳糖。
色氨酸
色氨酸操纵子的基本结构
色氨酸操纵子
大肠杆菌色氨酸操纵子结构较简单，也是研究得最清楚的操纵子，结构基因依次排列为trpE,trpD,trpC,trpB,trpA，其中trpG与trpD 和trpC与trpF分别发生基因融合。trpE和trpG编码邻氨基苯甲酸合酶,trpD编码邻氨基苯甲酸磷酸核糖转移酶，trpC编码吲哚甘油磷酸合酶,trpF编码异构酶，trpA和trpB分别编码色氨酸合酶的α和β亚基。trpE的上游为调控区，由启动子、操纵基因和162bp 的前导序列组成。5 个结构基因全长约6800bp,trpD远侧还有一个二级启动子，在细胞生长需要过量Trp时发挥作用。
一些G+菌，如枯草杆菌色氨酸操纵子的结构有所不同，7 个结构基因中的6 个依次排列为trpE,trpD,trpC,trpF,trpB,trpA，存在于含有12个结构基因的芳香族氨基酸超操纵子( aro operon ），第7 个结构基因,trpG存在于叶酸合成操纵子中，该酶参与Trp 和叶酸的合成。有2个启动子参与调控，一个位于aro operon的起始位置，另一个则位于trpE 上游约200 bp处。
色氨酸操纵子的调控作用途径
Trp合成途径较漫长，消耗大量能量和前体物，如丝氨酸、PRPP（5-磷酸核糖-1-焦磷酸）、谷氨酰氨等，是细胞内最昂贵的代谢途径之一，因此受到严格调控，其中色氨酸操纵子发挥着关键作用。调控作用主要有三种方式：阻遏作用、弱化作用以及终产物Trp 对合成酶的反馈抑制作用。
阻遏作用
trp操纵子转录起始的调控是通过阻遏蛋白实现的。产生阻遏蛋白的基因是trpR，该基因距trp operon基因簇很远。它结合于trp 操纵基因特异序列，阻止转录起始。但阻遏蛋白的DNA结合活性受Trp调控，Trp起着一个效应分子的作用，Trp与之结合的动力学常数为1～2 ×10- 5mol·L - 1。在有高浓度Trp存在时，阻遏蛋白- 色氨酸复合物形成一个同源二聚体，并且与色氨酸操纵子紧密结合，因此可以阻止转录。阻遏蛋白- 色氨酸复合物与基因特异位点结合的能力很强，动力学常数为2 ×10- 10mol·L - 1，因此细胞内阻遏蛋白数量仅有20～30分子已可充分发挥作用。当Trp 水平低时，阻遏蛋白以一种非活性形式存在，不能结合DNA。在这样的条件下，trp操纵子被RNA聚合酶转录，同时Trp 生物合成途径被激活。
弱化作用
trp操纵子转录终止的调控是通过弱化作用（ attenuation）实现的。在大肠杆菌trp operon，前导区的碱基序列包括4个分别以1、2、3和4表示的片段，能以两种不同的方式进行碱基配对，1 - 2和3 -4配对，或2 - 3配对，3 - 4配对区正好位于终止密码子的识别区。前导序列有相邻的两个色氨酸密码子，当培养基中Trp 浓度很低时，负载有Trp 的tRNATrp也就少，这样翻译通过两个相邻色氨酸密码子的速度就会很慢，当4区被转录完成时，核糖体滞留1区，这时的前导区结构是2 - 3配对，不形成3 - 4配对的终止结构，所以转录可继续进行。反之，核糖体可顺利通过两个相邻的色氨酸密码子，在4区被转录之前，核糖体就到达2区，这样使2 - 3不能配对，3 - 4 区可以配对形成终止子结构，转录停止。
枯草杆菌的弱化作用机制另有特点。因其色氨酸操纵子结构的特殊性，转录起始的调节似乎不如转录终止的调节更具重要性。枯草杆菌色氨酸操纵子表达主要受到色氨酸激活RNA结合蛋白( Trp -activated RNA - binding p rotein,TRAP）的调节。该蛋白与色氨酸结合被激活后，可与trpE上游转录产物结合，导致转录终止。当色氨酸浓度较低时，TRAP失活，转录可以继续，结构基因得以表达。另外枯草杆菌对未负荷色氨酸的tRNATrp也很敏感，后者大量堆积，会诱导合成抗TRAP 蛋白（ anti -TRAP,AT）。AT与Trp激活的TRAP结合，可以取消其转录终止活性。trpG表达也受TRAP调控，活化的TRAP与和trpG相重叠的S - D 序列结合，阻碍核糖体的结合，抑制trpG转录。
反馈抑制作用
由于基因表达必然消耗一定的能源和前体物，相对于阻遏和弱化作用，反馈抑制作用更为经济和高效。终产物Trp对催化分支途径几步反应的酶具有反馈抑制作用，其50%抑制浓度分别为：邻氨基苯甲酸合酶，0. 0015 mmol·L - 1 ；邻氨基苯甲酸磷酸核糖转移酶，0. 15 mmol·L - 1 ; 色氨酸合成酶,7. 7mmol·L - 1。对于普通野生菌株，邻氨基苯甲酸合酶对Trp合成起到关键调控作用，常被称为瓶颈酶；但对高产Trp工程菌而言，上述任何一种酶的反馈抑制都会直接影响Trp产量。研究发现酶蛋白某些特殊位点突变可以导致对反馈抑制作用敏感性显著下降，如邻氨基苯甲酸合酶38位的丝氨酸被精氨酸取代，抗反馈抑制能力显著提高，当环境中Trp浓度为10 mmol·L - 1时酶活性不受影响，而相同条件下野生型酶活性不到1%。邻氨基苯甲酸磷酸核糖转移酶162位缬氨酸被谷氨酸取代，抗反馈抑制能力也有显著提高，当环境中含有0. 83 mmol·L - 1色氨酸或0. 32 mmol·L - 1 5 - 甲基- 色氨酸时，酶活性分别为野生菌的3. 6倍和2. 4倍。陈小芳等报道一株谷氨酸棒杆菌邻氨基苯甲酸合酶基因7个碱基突变导致6个氨基酸残基改变，抗反馈抑制能力显著增强，环境中Trp 浓度达到15 mmol·L - 1时，邻氨基苯甲酸合酶活性几乎没有变化。
色氨酸操纵子遗传改造
由于色氨酸操纵子的调控作用，自然界不可能存在高产Trp菌株，为了获得高产Trp菌株，就必须对色氨酸操纵子进行改造，解除其调节作用。早期的研究策略主要依靠传统诱变方法，经过长期努力，获得了一些有价值的研究结果，如获得了TrpR - 菌株，通过缺失某些片断解除了弱化作用，得到了一些抗反馈抑制的酶。许多Trp生产菌株都是通过随机的诱变技术筛选得到的，如王健等通过硫酸二乙酯诱变，Trp 类似物筛选等方法从谷氨酸棒杆菌中培育出一株trp 高产菌株，摇瓶发酵64 h，产trp达到7. 28 g·L - 1。
传统诱变的方法尽管有效，但其缺陷点也是显而易见的，如工作量大，效率低，突变株的菌体生长、对环境的耐受性以及遗传稳定性等都比野生型菌株差等。基因工程技术的建立和发展对色氨酸操纵子改造提供了新的技术平台。1979年Tribe等人采用DNA重组技术对大肠杆菌进行改造，扩增trp 操纵子，发酵12 h，产酸1 g·L - 1，产酸量尽管不是很高，但是其意义却十分重大，由此开创了基因工程技术在Trp生物合成应用的先河。随后，Aiba等将带有色氨酸操纵子的质粒引入大肠杆菌，发酵27 h，并补充邻氨基苯甲酸，得到trp 6. 2 g·L - 1。Ikeda等通过构建稳定质粒，扩增分支途径限速酶并改造中心代谢途径，获得产Trp 达58 mg ·L - 1 的菌株。除了扩增表达操纵子基因，对其进行理性设计和改造也开始引起关注。已知酶分子某些特殊位点突变可以导致对反馈抑制作用敏感性下降，因此可以考虑利用基因工程技术对色氨酸操纵子结构基因进行理性改造降低其对反馈抑制的敏感性，但是Z至今尚缺乏成功的范例，主要原因在于现有酶分子反馈抑制结构与功能关系资料不足，不能满足需要。
代谢工程理论与色氨酸操纵子调控研究
1991年，Bailey用代谢工程描述利用DNA重组技术对细胞的酶反应、物质运输以及调控功能的遗传操作，进而改良细胞生物活性的过程，标志着代谢工程向一门系统学科发展的转折点。代谢工程亦称途径工程，以区别于传统的单基因表达（第一代基因工程）和基因定向突变（第二代基因工程），是有目的地对细胞生化反应的代谢网络进行修饰的技术，在多基因水平上设计修饰细胞固有的代谢途径和遗传性状，并赋予细胞更为优越甚至崭新的产物生产品质。代谢工程在提高宿主细胞原有代谢物的产量、产生新物质、扩展和构建新代谢途径、生产代谢产物如氨基酸、抗生素、维生素以及降解环境污染物等诸多方面显示出广阔的应用前景。从理论上提高Trp产率是代谢工程的首要任务，这需要对Trp生物合成和对细胞内控制Trp 代谢的异化途径有很好的了解，同时还要有一个在较宽的微生物代谢网络内描述这些途径的有效的数学模型。早期的模型主要考虑色氨酸操纵子动力学的某个方面，仅有少数研究模型，综合考虑了色氨酸操纵子的三种作用机制。修志龙等将代谢工程理论引入trp代谢分析领域，建立了适宜的数学模型，发现在代谢稳定的条件下，阻遏水平和酶的反馈抑制强度严重地影响了目标变量，即trp 浓度。Santillan等人提出的动力模型采用Second Lyapunov’s method分析，通过对野生菌株和几株改良菌株（邻氨基苯甲酸合成酶反馈抑制和弱化作用分别解除）的性能进行比较、验证，得出结论认为酶的反馈抑制对于系统稳定性具有重要作用，而弱化作用影响较小，主要在Trp营养发生改变时发生作用。这两个模型有一定的代表性，它们考虑了酶的反馈抑制，对于Trp生物合成具有一定指导意义；但其不足也很明显，仅仅考虑了邻氨基苯甲酸合成酶的反馈抑制作用，对其它酶未作考虑，另外一个不足是缺乏高产色氨酸菌株来加以验证。
转录的基元
操纵子包含一个或以上的结构基因，这个结构基因会被转录成为一个多基因性的mRNA。一个单一的mRNA分子会为多于一个蛋白质编码。在结构基因上游的是启动子序列，能给核糖核酸聚合酶（RNA聚合酶）提供结合位点及引发转录。在启动子附近的是一组DNA称为操纵基因。操纵子亦会包含调控基因，如阻遏基因能为调控蛋白质编码，使之与操纵基因结合及阻止转录。调控基因未必是操纵子的一部份，但是位于基因组的某一处。阻遏基因会到达操纵基因阻碍结构基因的转录。 原核生物的一个转录区段可视为一个转录单位，也称作操纵子。
启动子
主条目：启动子
一个启动子是一组DNA序列能使一个基因进行转录。启动子是由RNA聚合酶所确认，并且引发转录。在RNA的合成中，启动子是一种方法区分哪一个基因用作制造mRNA，及进而控制细胞制造哪一种蛋白质。
操纵基因
操纵基因是DNA的一节能调控与操纵子连结的结构基因的活动，这种调控是透过独特阻遏基因或活跃基因的相互作用。这是一个调控过程将基因“关掉”或“开启”。
基因调节
在负向可诱导操纵子中，一个调节的阻遏蛋白质一般会与操纵基因结合，并阻止操纵子中基因的转录。若存在着一个诱导物分子，它会与阻遏蛋白结合，并改变它的构造，使它不能与操纵基因结合。这可以使操纵基因的转录发生。
在负向可阻遏操纵子中，操纵子的基因转录一般都会发生。阻遏蛋白质会由调控基因所产生，但它们却不能够与操纵基因结合。但是，某些称为共同抑制物的分子可以与阻遏蛋白质结合，并改变它的构造，使得它能与操纵基因结合。活跃化的阻遏蛋白质会与操纵基因结合，并阻止转录。
操纵子亦可以是正向调控的。当存在正向调控时，活跃基因会与DNA结合（一般是在非操纵基因的位点）而引发转录。
在正向可诱导操纵子中，活跃蛋白质一般不能与适切的DNA结合。但是，某些基底分子可以与活跃蛋白质结合，并改变它的构造，使之能与DNA结合及令转录进行。
在正向可阻遏操纵子中，活跃蛋白质一般都会与适切的DNA段结合。但是，某些分子可以与活跃基因结合，以阻止它与DNA的结合，从而阻止转录的发生。
操纵子数量组织
操纵子的数量及组织可以从大肠杆菌的研究中得知。预测可以基于基因组序列。
其中一个方法是使用不同读架中基因间的距离作为基因组中操纵子数量的主要预测工具。这个分隔只会改变读架及确保读数的效能。在操纵子开始及结束的地方有较长的延伸，一般可以是40-50碱基对。
若考虑分子的机能类，操纵子的预测则更准确。细菌会团集它的读架成单元，隐藏在蛋白质复合物、共同途径、或分享的底物及运载物中。因此，若有着所有这些资料及数据，预测会更准确，但这实际上是一项艰深的工作。
内部连结
基因调节网络
L-阿拉伯糖操纵子：另一种经广泛研究，大肠杆菌的操纵子。
蛋白质生物合成
遗传密码
原核生物
