在所有E.coli的启动子中转录起始部位之前的第35及第10核苷酸(画框处)都是高度保守的,这两个区域的突变都对转录有明显的影响,突变成单核苷酸或成对的改变,也可能是缺失：
| ←－－－－－－启动子区－－－－－－→
转录起始部位 |
| 5'…AGTTAGTGTATTGACATGATAGAAGCACTCTACTATATTCTCAATAGGTCCACGG…3' |
| －35区 －10区 |
三、乳糖操纵子的正调控
起初我们认为乳糖操纵子仅仅处于乳糖阻遏物的负控制之下,但是现在了解到,即使有诱导物存在将阻遏蛋白中和,操纵子的正常表达还必须有一个蛋白质介导的正调控信号。在研究葡萄糖怎样阻断许多种操纵子(葡萄糖敏感操纵子glucose-sensitive
operons)的功能时,发现了这种正调控蛋白的存在,每一种正调控蛋白控制一种糖(如乳糖、半乳糖、阿拉伯糖及麦芽糖)的降解。例如,E.coli生长在既有葡萄糖又有乳糖存在的介质中,则只利用葡萄糖,而乳糖操纵子蛋白质处于低水平。同样如果既有萄葡糖又有半乳糖存在时,半乳糖操纵子即无活性。葡萄糖比其它糖类被优先利用的原因还不清楚。这可能是由于在进化过程中细菌经常处于富含葡萄糖的环境之中,长期适应的结果。
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葡萄糖的抑制作用并非由于不同糖类进入细胞的速度有所不同,而是由于转录作用受到影响。这首先是由于发现了使乳糖操纵子对葡萄糖不敏感的控制区发生了突变的结果。用这种突变体乳糖操纵子可以最大限度地诱导,即使有大量葡萄糖存在之时也是如此。
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(一)阻遏物
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RNA聚合酶(与启动子结合)及阻遏蛋白(与操纵基因结合)与DNA结合部位的阐明向我们指出阻遏蛋白是如何工作的。它们以物理方式阻止在启动子上RNA聚合酶的结合以及RNA合成的起始。乳糖操纵子是由同样的21个DNA碱基对组成的,它们是乳糖操纵子mRNA最初21个核苷酸的模板。因此,lac阻遏物覆盖着模板,恰恰是RNA聚合酶要占据的催化中心,从而阻止它靠近模板,其它操纵基因都与启动子的不同部位重叠,但它们都干扰RNA聚合酶的结合。恰如我们所预计,阻遏蛋白仅阻止RNA合成的起始,一旦延长开始后,对RNA链的生长就没有影响。
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(二)辅阻遏物
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阻遏物并非永远能阻止mRNA的合成。否则,它们就将永远抑制其特异蛋白质的合成。许多阻遏物分子能以活性的及无活性的两种形式存在,这要看它们与其适当的诱导物或辅阻遏物(corepressor)是否结合而定,诱导物的结合可使阻遏物失活。例如,当与β-半乳糖苷如乳糖或异乳糖(allolactose,乳糖的代谢物,为天然诱导物)结合时,lac阻遏物即不能与其专一的操纵基因结合。因此,加β半乳糖苷于生长细胞中,以降低lac阻遏蛋白的分子浓度,可使β半乳糖苷酶得以合成。反之,辅阻遏物的结合则将无活性的阻遏物变为有活性的形式。例如,在细胞中加入色氨酸可以激活阻遏物,后者控制色氨酸生物合成所需酶的合成,这就迅速切断其专一的mRNA分子的合成(下图)。
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在阻遏物与其诱导物或辅阻遏物之间不形成共价键。每个阻遏物分子的一部分在形状上与其诱导物或辅阻遏物的专一部分是互补的。二者以次级键(氢键、盐桥或范德华力)相连结,由于这些键是弱键,它们可以快速形成或快速破坏,使阻遏物(活性的或非活性的)迅速调整,以适应生理的需要。例如,β-半乳糖苷酶mRNA的合成在去掉乳糖后几乎可以立即停止(下图)。
阻遏物与诱导物相结合构型上的可逆变化是别构酶转化的又一个例证(下图）
葡萄糖对转录的作用并不是直接的,其降解产物(降解物catabolite)是靠降低细胞内的环式AMP(cAMP)的含量起作用。此关键代谢物(cAMP)对葡萄糖降解代谢所抑制的各种操纵子的转录都是需要的,葡萄糖降解物控制细胞内cAMP水平的方式还不清楚。ATP是cAMP的直接代谢前体,担任这种转化的酶是腺苷酸环化酶(adenylcyclase),此酶可能受代谢降解物的直接抑制。另外有一种磷酸二酯酶(phosphodiesterase),能将cAMP转变成AMP,故这种抑制作用可能受cAMP分解的速度所控制(下图)。
 
环式AMP并不直接促进lac mRNA的合成,而靠结合在代谢降解物基因激活蛋白(catabolite-gene activator
protein),简称CAP上起作用。CAP是一个分子量为45kD的二聚体。它对转录没有影响,只有cAMP与它结合才起作用。此后它就获得与DNA专一部位结合的能力,这时就增加邻近操纵子的转录速度。CAP对一切葡萄糖敏感的操纵子都是正调控因子,故突变的细胞都不能利用大多数的糖类三、CAP对RNA聚合酶的控制
CAP能控制RNA聚合酶在乳糖启动子上的结合。CAP或者阻遏物对mRNA生长速度都没有任何影响。但二者则控制RNA聚合酶分子与启动子结合的速度,一个为正调控,另一为负调控。实际上阻遏物阻断RNA聚合酶的结合,CAP帮助RNA聚合酶有效地与乳糖启动子结合,使更多的RNA的合成起始进行。有如操纵基因一样,CAP与乳糖操纵子DNA结合的部位也由阻止其功能的突变做出了标记,即在cAMP较高的条件下并不剌激乳糖酶,用足迹法鉴定出一个专一的结合序列,重要的结果是CAP及cAMP的复合物在启动子上与RNA聚合酶相结合。
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