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Operator（操纵子） 介绍

2013-01-14 09:42阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/2072703247

基因的物质基础是核苷酸序列，其功能是通过其产物实现的的。但是Operator没有产物，但是为什么要将其翻译为操纵基因呢？Operator是基因吗？本文就这一问题进行了综述，也欢迎大家拍砖！本文由闫晓梅老师和乔中东老师共同撰写！ 国内对Operator
的翻译有很多版本。孙乃恩[1]、杨叶华[2]、杨焕明[3] 等主编或翻译的教材中，都将Operator命名为“操作子”；朱玉贤[4]、郜金荣[5]等主编的教材将其命名为“操纵区”；而大多数教材和相关英汉词典却将其翻译作为“操纵基因”[7-20] 。Operator是基因吗？什么样的DNA序列才能够称之为基因呢？本文依据相关研究，总结如下。
1、基因概念的演化及定义
有关基因的概念，最早可以追溯到1866年，Mendel发表的一篇经典论文——《植物杂交试验》。在文章中，Mendel提出了控制一种特殊表型性状（如豌豆花色）的 “特征” 称为 “单位因子”[6]。1900年，英国内科医生Archibald E. Garrod爵士研究了一些人类的遗传性疾病，其中一种疾病是苯丙酸尿症。这种疾病因尿液暴露于空气中变黑很容易鉴别，所以又称为黑尿症。Garrod认识到等位基因的隐性突变有时会引起正常代谢过程的缺陷，这样，基因的概念被定义为“一个突变基因，一个代谢通路的障碍”。1903年，Walters S. Sutto 发现染色体行为与遗传因子行为一致，提出了染色体是遗传因子的载体，因而将遗传因子定位于染色体上。1909年，丹麦遗传学家Wilhelm Johannsen提出用基因（gene，由达尔文提出的泛生子Pangene最后一个音节而来) 这个术语代替孟德尔的遗传因子，其意思与Mendel的遗传因子相一致。美国遗传学家Tomas Hunt Morgan通过大量的研究，在他撰写的《基因论》一书中指出，基因是决定遗传的化学物质，存在于染色体上，从而完善了基因的概念。1941年，George W. Beadle和Edward L. Tatum用X射线诱导处理红色脉胞霉，通过对大量的红色脉胞霉突变株的筛选，将基因更准确地再定义为“一个基因，一个酶”的概念。后来人们发现，许多酶含有2个或几个不同的被独立基因编码的多肽，“一个基因，一个酶” 的概念随后被修正为 “一个基因，一个多肽”。此后，由于人们发现一个基因的最终产物可能是RNA分子，基因的概念再次被修正为 “一个基因，一个转录本” 。20世纪40年代，美国科学家Edward Lewis发明了一种互补实验的技术。运用这种方法，Lewis提供一种可以操作的定义基因的方法。由此，Seymour Benzer将顺反子（cistron)的概念引入到基因的概念中。现在分子遗传学界普遍将顺反子作为基因的一个同义词[3,6,9]。
有关基因的结构，在1940年以前，人们一直认为基因就像是串在一条线上的珠子，重组只能在基因间发生，不能在基因内发生。基因既是基本的功能单位，它可以控制一个表型性状；也是基本的结构单位，基因内不能发生重组，也不能因突变而再分为亚单位。但是，到了1940年，Clarence Oliver报告了果蝇 lozenge 基因内可以发生重组。这一发现的重大意义既使人兴奋，也引发了很多争论。争论的结果是，核苷酸才是基因的基本结构单位，遗传物质的基本单位是不可以通过突变或重组再分的[6,9] 。
现在，人们将基因定义为携带有遗传信息的DNA或RNA序列的遗传单位。它是控制性状的基本遗传单位。基因通过指导蛋白质和RNA的合成来表达自己所携带的遗传信息，从而控制生物个体的性状表现。换句话说，基因就是编码一定基因产物的核苷酸序列，这些基因产物包括蛋白质和RNA。但是，随着科学的发展，人们又发现，这个定义并不能包括所有的情况。在此基础上，科学家们又对基因的定义进行了一些补充，(1) 在真核生物中，基因还包括转录本的5’ 和 3’非翻译区，内含子等成分；（2）终产物为RNA分子的属于结构基因；（3）重叠基因中的一些核苷酸序列属于2种以上的基因；（4）由于剪切机制不同，外显子可以拼接成一组相关的，但序列不同的蛋白质（蛋白质的同型异构），因此基因就可以定义为编码一套相关多肽的一个转录单位的DNA序列；（5）在祖系染色体中，编码抗体可变区的DNA序列可能仅仅编码多肽的一部分，所以这些序列可以是基因也可以是基因的一个片段[6,9] 。总之，在基因的概念中，包含了两方面的意思：首先，基因的物质基础是核酸。其次，基因实现其功能必须要有一定的产物，也就是说基因一定要有产物才能发挥作用。那么，operator是不是基因呢？
2、操纵子的结构和各个成分的功能
1961年，法国科学家Francois Jacob和Jacques Monod在阐明大肠杆菌（Escherichia coli）利用乳糖进行代谢的过程中，提出了一种负调控的乳糖操纵子（Operon)模型。该操纵子模型的建立是分子遗传学发展史上的一座重要里程碑，它解释了原核生物基因是如何控制基因表达的。Jacob和Monod提出的大肠杆菌乳糖操纵子的结构如图1所示，包含如下几个成分：上游编码阻遏蛋白的调节基因I (Inhibitor)、启动子(P, Promotor)，与启动子相邻的操作子（O, Operator)，以及下游的一组结构基因lacZ、lacY、lacA [5,6,9] 。
乳糖代谢调节基因lacI编码一个大小为360个氨基酸的阻遏物蛋白，LacI 阻遏物蛋白的活性形式是四聚体。当缺少诱导剂的时候，阻遏物结合在操作子O上，阻止RNA聚合酶转录lacZ、lacY、lacA，三个基因只表达低水平的背景酶活性。这种低水平表达的酶，对于乳糖操纵子的诱导是非常必要的。乳糖操纵子的诱导剂为异乳糖，异乳糖是乳糖经过β-半乳糖苷酶催化反应而产生的。异乳糖一旦生成，即结合在阻遏物上，使阻遏物从操作子O上释放下来，从而使lacZ, lacY和lacA三个结构基因得以转录。
Jacob和Monod通过对大量大肠杆菌突变株的研究发现，lacI 和操作子O的突变经常会导致乳糖操纵子中结构基因的组成性表达。其中，操作子O的突变仅对同一条染色体的结构基因的表达产生影响，而LacI 的突变却既可以影响相同的染色体，也可以影响不同的染色体。因此，LacI 编码一个可以扩散的具体的蛋白质，而操作子O，即Operator，则不编码任何产物[15,17]。
operator
图1、大肠杆菌乳糖操纵子的结构示意图
3 Operator不具备基因的全部条件
Operator是与启动子相邻的另一个顺式作用元件。顺式作用元件就是那些参与基因表达调控的DNA序列，它们不编码任何产物，其影响一般仅限于同一条染色体。既然operator是顺式作用元件，那么它具有一定的核苷酸序列，但不编码任何产物。因此operator满足不了基因的这2个要素，它肯定不能是一个基因。 而反式作用因子则是参与基因表达的蛋白质，这些蛋白质可以结合到顺式作用元件上。对于乳糖操纵子来说，LacI是一个基因，它的产物作为反式作用因子与作为顺式作用元件的操作子即operator相互作用，对下游结构基因的表达产生影响。
显然， Operator被翻译为 “操纵基因”是不合适的。Operator被翻译为“操作子” 或者“操纵元件”。由于在讲课的时候操作子和操纵子的发音容易混淆，所以我们在编写《分子生物

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