操纵基因编辑

操纵子中的控制基因

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操纵基因是操纵子中的控制基因，在操纵子上一般与启动子相邻，通常处于开放状态，使RNA 聚合酶通过并作用于启动子启动转录。但当它与调节基因所编码阻遏蛋白结合时，就从开放状态逐渐转变为关闭状态，使转录过程不能发生。

大肠杆菌乳糖操纵子包括4类基因：①结构基因，能通过转录、翻译使细胞产生一定的酶系统和结构蛋白，这是与生物性状的发育和表型直接相关的基因。乳糖操纵子包含3个结构基因：lacZ、lacY、lacA。lacZ合成β—半乳糖苷酶，lacY合成β—半乳糖苷透过酶，lacA合成β—半乳糖苷乙酰基转移酶。②操纵基因O，控制结构基因的转录速度，位于结构基因的附近，本身不能转录成mRNA。③启动子区P，位于操纵基因的附近，它的作用是发出信号，mRNA合成开始，该基因也不能转录成mRNA。④调节基因i：可调节操纵基因的活动，调节基因能转录出mRNA，并合成一种蛋白，称阻遏蛋白。操纵基因、启动基因和结构基因以及下游转录终止区共同组成一个基因表达单位——操纵子（operon）。

乳糖操纵子机制

乳糖操纵子

抑制作用：调节基因转录出mRNA，合成阻遏蛋白，因缺少乳糖，阻遏蛋白因其构象能够识别操纵基因并结合到操纵基因上，因此RNA聚合酶就不能与启动基因结合，结构基因转录也被抑制，结果结构基因不能转录出mRNA，不能翻译酶蛋白。

诱导作用：在乳糖存在情况下，乳糖代谢产生异构乳糖（alloLaCTose），异构乳糖能和调节基因产生的阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白改变构象，不能再和操纵基因结合，失去阻遏作用，结果RNA聚合酶便与启动基因结合，并使结构基因活化，转录出mRNA，翻译出酶蛋白。

负反馈：细胞质中有了β—半乳糖苷酶后，便催化分解乳糖为半乳糖和葡萄糖。乳糖被分解后，又造成了阻遏蛋白与操纵基因结合，使结构基因关闭。

色氨酸操纵子

色氨酸操纵子负责调控色氨酸的生物合成，它的激活与否完全根据培养基中有无色氨酸而定。当培养基中有足够的色氨酸时，该操纵子自动关闭；缺乏色氨酸时，操纵子被打开。色氨酸在这里不是起诱导作用而是阻遏，因而被称作辅阻遏分子，意指能帮助阻遏蛋白发生作用。色氨酸操纵子恰和乳糖操纵子相反。

鉴定方法

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操纵基因

DNA上蛋白质的结合部位，如一种操纵基因，如何能够鉴定出来呢?　原来操纵基因是靠阻遏物的专一结合以免除核酸酶(nuclease)的攻击的，通过DNA片段的分离与序列测定，即可确定其结构。但是这是一件极吃力的工作。利用限制性内切酶可以确切分离出蛋白质所接触的部位的片段，就可以鉴定操纵基因的结构，与测定DNA序列的化学法相似，测定操纵基因的基本原则是：如果一条DNA片段被放射性原子所标记，这条链中任何断裂部位从所产生的标记片段的大小即可推导出来。DNA片段的大小可以用高分辨的聚丙烯酰胺凝胶电泳所确定。这种方法称为足迹图法(foot-printing method)，这是仿照用纸层析鉴定蛋白质的指纹图法(finger printing method)命名的。结合部位靠结合蛋白使核酸酶的酶切作用被保护而不被切割。靠这种方法可以了解蛋白质在何处与DNA的糖磷酸酯骨架上的碱基及磷酸进行特殊接触。

基本结构

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图1 操纵基因的结构图

有许多种操纵基因用足迹法定位并进行了DNA序列分析，将影响阻遏物结合的操纵基因突变的特性加以描述，它们最重要的特征是反向重复(invERTed repeat)或毗邻重复(near repeat)。例如，用核酸酶消化DNA与lac阻遏物的复合体，分离得到一个乳糖操纵基因片段，由24bp组成，其中约有16个是与二重对称轴有关，以第11位碱基为中心，其结构如图1。操纵基因的序列测定出来后就使人们了解到这种对称能够使阻遏蛋白多聚体的两亚基可以同时结合在操纵基因上，从而阻碍了转录的发生。

研究成果

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图2 二重对称轴

以X射线晶体学测定几种结合蛋白与DNA的三维结构，得出一些惊人的结果。它们表明调节蛋白(阻遏蛋白)与特异的DNA部位是如何结合的。第一个测定的结构是E.coli CAP蛋白的结构，随后不久，λCro蛋白、A阻遏物及噬菌体434的阻遏蛋白(λ的近亲)先后测定成功。有如晶体学家预测的那样，活性结合单位为两个相同的球状多肽链的二聚体，在空间以相反的取向形成一个二重对称轴的构象，与DNA的结合部位的结构相吻合(图2)。调节蛋白与DNA的结合是由两股较短而邻近的α-螺旋形成。λ阻遏蛋白结构是在第2及第3个α-螺旋上，Cro和CAP也有类似结构。在λ阻遏蛋白中螺旋3从蛋白质表面突出，与其对手(即λ阻遏蛋白二聚体第二个亚基)恰好以B-DNA(3.4nm)的螺旋重复距离相隔开。模型表明螺旋3与大沟恰相吻合，于是阻遏蛋白二聚体通过每个单体的螺旋3与操纵基因的一半相互接触而与DNA的一侧相结合。大部分接触是由大沟的碱基边沿与螺旋3侧链的氢键靠互补完成。下列事实有力地证实这个模型，即影响λ阻遏蛋白与操纵基因的大多数突变种都是改变两个相邻α-螺旋的氨基酸。最近这个模型己用噬菌体434X射线分析直接证实。

“多彩”证据

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操纵基因的现实证据

科学家们已经建立了一个系统，可以帮助他们研究细菌中的基因是怎样在工作的，这是通过将其插入到鼠中完成的。最新应用的这一系统的一个试验产生了令人毛骨悚然的结果：基因工程鼠可以根据它所饮用的水改变它皮毛的颜色。研究者经常通过可看到的发生的变化来描绘基因在不工作时是怎样的。其中在鼠中，“基因敲除”(“kNOcking out”gene)是时下流行的方法，但是很多基因敲除在鼠的胚胎发育之前就会将其杀死。所以这一研究基因开关的方法就有了它们自身的局限性。借用细菌遗传学中的一个技巧，位于Charlottesville的弗吉尼亚大学的神经遗传学家Heidi Scrable和他的同事已经将一种广泛研究的调节系统应用于实验鼠。这个系统含有一种蛋白，被称为lac抑制子，它能结合一段DNA序列，这段序列被称为lac操纵子。一旦结合DNA，lac抑制子就会阻止其他蛋白的启动以及将DNA信息转录成RNA。但是如果lac抑制子结合乳糖——一种普遍的，可食用的糖，它就不会再发生作用，而使DNA得到转录。研究者无意识的研究着许多lac抑制子基因的突变体，终于他们发现了一种可在鼠中工作的。

这个小组的原理的证据在“基因和发育”(Genes and Development)上做了描述，是很生动的。科学家们构建了一种人造的lac操纵子的DNA分子，并连入了酪氨酸酶的基因中，酪氨酸酶有助于产生黑色素。科学家们将这种DNA分子放入携带细菌起源的lac抑制子基因的鼠中，该小鼠自身的酪氨酸酶基因已经缺失了。Lac抑制子阻止了人工插入的酪氨酸酶基因的表达，这样就产生了白化鼠。但是当这种鼠喝下含有乳糖的化学类似物的水时，lac抑制子就释放了DNA，酪氨酸酶基因就被打开，鼠就可以变回棕色。当鼠再喝下正常水时，基因又被关闭，鼠又变回白色。

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