大肠杆菌与操纵子学说

1961年，法国科学家莫诺(J·L·Monod，1910-1976)与雅可布(F·Jacob)发表“蛋白质合成中的遗传调节机制”一文，提出操纵子学说，开创了基因调控的研究。四年后的1965年，莫诺与雅可布即荣获诺贝尔生理学与医学奖。

莫诺与雅可布zui初发现的是大肠杆菌的乳糖操纵子。这是一个十分巧妙的自动控制系统，这个自动控制系统负责调控大肠杆菌的乳糖代谢。

乳糖可作为培养大肠杆菌的能源。大肠杆菌能产生一种酶(叫做“半乳糖苷酶”)，能够催化乳糖分解为半乳糖和葡萄糖，以便作进一步的代谢利用。编码半乳糖苷酶的基因(简称z)是一个结构基因(structural GENE)。这个结构基因与操纵基因共同组成操纵子。操纵基因受一种叫作阻遏蛋白的蛋白质的调控。当阻遏蛋白结合到操纵基因之上时，乳糖会起诱导作用，它与阻遏蛋白结合，使之从操纵基因上脱落下来。这时，操纵基因开启，相邻的结构基因也表现活性，细菌就能分解并利用乳糖了，这样，乳糖便成了诱导半乳糖苷酶产生的诱导物。

上述内容表明，大肠杆菌的乳糖操纵子是一个十分巧妙的自动控制系统：当培养基中含有充分的乳糖，同时不含葡萄糖时，细菌便会自动产生半乳糖苷酶来分解乳糖，以资利用。当培养基中不含乳糖时，细菌便自动关闭乳糖操纵子，以免浪费物质和能量。

60年代中期，在操纵子中还发现了另一个开关基因，称为启动基因(promoter)。启动基因位于操纵基因之前，二者紧密相邻。启动基因由环腺苷酸(cAMP)启动，而环腺苷酸能被葡萄糖所抑制。这样，葡萄糖便通过抑制环腺苷酸而间接抑制启动基因，使结构基因失活，停止合成半乳糖苷酶。

由此可知，结构基因同时受两个开关基因——操纵基因与启动基因的调控。只有当这两个开关都处于开启状态时，结构基因才能活化。当培养基中同时存在葡萄糖和乳糖时，葡萄糖通过抑制环腺苷酸而间接抑制启动基因，并进而抑制结构基因，使细菌不产生半乳糖苷酶。这种情况下，细菌便会自动优先利用葡萄糖，因为葡萄糖果是比乳糖更好的能源。