基因的調控

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在很早以前,美國遺傳學家摩根就提出了基因會受到調控的假說。從基因製造蛋白質的過程是非常耗費能量的,因此細胞為了有效率利用能量,基因的表現當然要受到控制!過去基因調控的研究,是結合各個領域的努力,其中的重要人物,法國生物學家莫諾及雅各布,他們在早期研究大腸桿菌的生長現象時,發現細菌在對乳糖與葡萄糖的利用時,存在著一些巧妙的關係,在不斷的研究下,他們發表了有關基因會調控蛋白質合成的文章,文中也提出了操縱組(operon)的理論。

 

什麼是操縱組?簡單地說就是在一條DNA序列上,包含了一些關於開啟基因活性及其他功能的基因,在這些彼此關聯的基因互動之下,可以維持細胞內特定物質的恒定。大腸桿菌的乳糖操縱組便是一個有趣的例子。當環境中只有乳糖而沒有葡萄糖時,細菌會合成半乳糖酶來分解乳糖;而如果環境中同時存在著乳糖及葡萄糖時,細菌則會先利用葡萄糖,待葡萄糖用盡之後,細菌才開始利用乳糖,在整個過程中,就影響了一些特定基因的活化及抑制。基因操縱組的現象只出現在原核生物身上,在真核生物則是看不到。科學家在逐漸瞭解基因調控的祕密之後,對於許多生物科技研究,帶來了莫大的幫助!

這裡有一個Flash動畫,乳糖操縱組,內容如下:

 

Step1:在DNA某處的調節基因能夠轉錄轉譯出抑制性蛋白。

 

Step2:在乳糖濃度過低的情況下,抑制性蛋白會結合在操作子上,讓RNA聚合酶無法靠近下游的構造基因。

 

Step3:當乳糖濃度升高時,抑制性蛋白會與乳糖結合,造成抑制性蛋白的形狀改變,而無法繼續停留在操作子上。

 

Step4:結合在啟動子上的RNA聚合酶 ,順利地通過操作子,並影響下游的構造基因,構造基因在經轉錄轉譯作用後,會產生B-半乳糖苷 酶 、通透酶與轉乙醯基酶。

 

Step5:構造基因所產生的酵素會將乳糖分解。

 

Step6:當乳糖濃度又下降到一個程度時,抑制性蛋白便無法再與乳糖結合。

 

Step7:之後抑制性蛋白又會恢復到原來的形狀,與操作子結合,抑制住下游基因的表現。

進階學習

原核生物DNA運作的模式 

莫諾及雅各布最初發現的是大腸桿菌的乳糖操縱組。這是一個十分巧妙的自動控制系統,這個自動控制系統負責調控大腸桿菌的乳糖代謝。大腸桿菌的乳糖操縱組的控制系統:當培養基中含有充分的乳糖,同時不含葡萄糖時,細菌便會自動產生半乳糖苷酶 來分解乳糖,以資利用。當培養基中不含乳糖時,細菌便自動關閉乳糖操縱子,以免浪費物質和能量。

 

60年代中期,在操縱組中還發現了另一個開關基因,稱為啟動基因(promoter)。啟動基因位於操縱基因之前,二者緊密相鄰。啟動基因由環腺苷酸(cAMP)啟動,而環腺苷酸能被葡萄糖所抑制。這樣,葡萄糖便透過抑制環腺苷酸而間接抑制啟動基因,使構造基因失活,停止合成半乳糖苷酶 。

 

由此可知,構造基因同時受兩個開關基因——操縱基因與啟動基因的調控。只有當這兩個開關都處於開啟狀態時,構造基因才能活化。當培養基中同時存在葡萄糖和乳糖時,葡萄糖透過抑制環腺苷酸而間接抑制啟動基因,並進而抑制構造基因,使細菌不產生半乳糖苷酶 。

 

這種情況下,細菌便會自動優先利用葡萄糖,因為葡萄糖是比乳糖更好的能源。而除了乳糖操縱組之外,後來的科學家又陸續發現了麥芽糖調節組、阿拉伯糖操縱組與色胺酸操縱組。