2013年5月10日 星期五

雅各與莫諾模型 將一組基因作為控制的單位 In the Jacob-Monod Model, a Group of Genes Is Controlled as a Unit

探索生命《生物學》89
1.        1960年代早期,法國生物學家雅各Francois Jacob莫諾Jacques Monod 提出一個很有力的模型,解釋細菌細胞控制基因表現的機制,這個模型基於他們對於大腸桿菌E. coli合成酵素的研究。
Richard Strauss Death and Transfiguration 

2.        雅各和莫諾主要研究的酵素是半乳醣苷酶 β-galactosidase,「半乳醣苷酶」與其他酵素一起作用,能夠催化雙醣「乳醣」分解成單醣「葡萄醣和半乳醣」。
3.        雅各和莫諾發現當介質中有乳醣,「半乳醣苷酶」與其他相關酵素就會被製造出來。換句話說,「乳醣」的作用就像誘導物inducer,將生產酵素的基因開啟,以便於生產出能夠降解「乳醣」的酵素。
4.        雅各和莫諾找到與生產「半乳醣苷酶β-galactosidase」有關的四個「基因」,與另外二種與乳醣代謝有關的「酵素」。
5.        與生產「半乳醣苷酶」有關的四個基因,其中三個是結構基因structural genes,每一個結構基因描繪出一種酵素的胺基酸序列。第四個基因是調節基因regulator gene,它間接控制結構基因的活性
6.        雅各和莫諾指出,「調節基因」的位置靠近「結構基因」,「調節基因」的密碼提供合成抑制蛋白repressor protein的資訊,抑制蛋白能夠抑制結構基因的轉錄。
7.        雅各和莫諾接著發現,這些酵素的「結構基因」之前,還有一個特殊的DNA區域,功能就像電源開關一樣,決定結構基因是否能夠被轉錄,這個區域稱為操縱子operator,「抑制蛋白」能與「操縱基因」區域緊密結合。
8.        「操縱子」有一部份與啟動子promotor重疊,啟動子是「RNA聚合酶」前來結合進行轉錄的起始點。
9.        「啟動子」區域有部分與「操縱子」重疊,這點解釋了為什麼一旦「抑制蛋白」與「操縱子」結合,「RNA聚合酶」就無法與「啟動子」結合,阻斷了轉錄工作。
10.     雅各和莫諾稱「啟動子promotor、操縱子operator和結構基因structural genes」三者為「操縱組operon」。
11.     舉例來說,在雅各莫諾模型 Jacob-Monod model,乳醣操縱組 the lac operon的基因,專責合成催化乳醣代謝的酵素,執行過程如下:
12.     在轉錄DNA上的3個「結構基因」之前,「RNA聚合酶」必須先與「操縱組的啟動子promoter」區域結合;
13.     如果「抑制蛋白」已經與「操縱子」區域結合,就會阻撓「RNA聚合酶」與「DNA的啟動子」結合;只要出現活化的「抑制蛋白」,就不會有任何「RNA聚合酶」能與「啟動子」結合,也因此不會有後續的轉錄。
14.     然而,如果細胞核環境出現誘導物質「乳醣」,「乳醣」將與「抑制蛋白」結合,造成「抑制蛋白」外型改變而無法與「操縱子」結合。簡單講就是,誘導物讓「抑制蛋白」失去活性了。
15.     沒有「抑制蛋白」干擾,「RNA聚合酶」便能夠與「DNA的啟動子」結合,開始轉錄結構基因,生產「訊息RNA mRNA」。
16.     「訊息mRNA」帶著3個結構基因的訊息,到細胞質與「核醣體」結合成複合體,「mRNA」的資訊在「核醣體」被轉譯,合成3種代謝「乳醣」所需的「酵素」;
17.     這些「酵素」接觸到「乳醣」後,進行將「乳醣」斷裂成「葡萄醣」和「半乳醣」的反應程序。
18.     當所有的「乳醣」都代謝掉,「抑制蛋白」沒有「乳醣」可結合,又再度恢復活性,與DNA的「操縱子」結合,阻礙「RNA聚合酶」轉錄。
19.     根據Jacob-Monod model,「操縱子」的處境是「操縱組基因」能不能活化的關鍵。當「抑制蛋白」與「操縱子」結合,細胞就無法進行「操縱組基因」的轉錄;當「抑制蛋白」與「誘導物」結合而失去活性,「抑制蛋白」無法與「操縱子」結合,細胞就能自由地進行轉錄。
20.     特別留意,整合控制的三種乳醣「結構基因」,各負責一種特定的酵素,這幾種酵素的功能十分接近。
21.     整合許多「結構基因」的「操縱組」的特色是,編寫同一條生化反應路徑上各個酵素的基因,將整條反應路徑調控成一個單位。整合控制基因的好處是,反應路徑上所需的所有酵素都寫在一塊,在細胞需要的時候一次全部生產出來。

原核生物的基因表現至少可分為二種方式,深受操縱子的控制 Gene Expression in Procaryotes Is Cantrolled by Operons in at Least Two Different Ways
22.     從雅各莫諾模型提出之後,許多研究發現細胞調節「操縱組」的方式並不一致。乳醣的「操縱組」是誘導型的操縱組,操縱組本來是關閉無活性的,直到誘導物質出現,操縱組的活性才被打開。
23.     與乳醣的操縱組不同,有許多操縱組一直保持活性,直到細胞質出現「輔抑制物質corepressor substance」,操縱組才關閉失去活性。輔抑制物質通常是生化反應路徑的最後一個產物。
24.     其中一個例子是,合成胺基酸「色胺酸tryptophan」必需酵素的基因密碼,這些基因密碼組成的操縱子平常是保持活性的。合成色胺酸必需酵素的操縱組原本是打開的,但是當細菌細胞的生長環境充滿色胺酸,操縱組就會關閉。
25.     色胺酸的功能是「輔抑制子corepressor」,色胺酸與「抑制子」(抑制蛋白)結合,活化抑制子,使抑制子能夠與DNA的「操縱子」結合,阻斷轉錄工作。
26.     乳醣酵素和色胺酸酵素的基因開關調控,都屬於負向調控negative control負向調控機制,用「抑制蛋白」與「操縱子」結合的方式,阻斷轉錄。
27.     雖然負向調控是大腸桿菌最常見的調控基因表現方式,不過也有些系統會採取正向調控positive control;在正向調控機制,蛋白質是驅動轉錄「活化子activators」。
28.     這些調控基因活化的蛋白質稱為轉錄因子transcription factors(TF),「轉錄因子」會在「啟動子」上游的活化區域與DNA結合,以協助「RNA聚合酶」與「啟動子」結合,並啟動轉錄。
29.     某些操縱組基因接受負向與正向控制機制的調控。我們舉乳醣操縱組的例子來說,當周遭媒介存在「乳醣」,「乳醣」會與「抑制蛋白」結合,讓「RNA聚合酶」可以毫無拘束地與「啟動子」結合。
30.     然而,「RNA聚合酶」是與「啟動子」強烈結合,還是微弱地結合,則取決於是否有「轉錄因子TF」協助結合。
31.     如果沒有「轉錄因子TF」,聚合酶只會微弱地與「啟動子」結合,偶爾才會成功地進行轉錄;如果有「轉錄因子TF」,聚合酶與「啟動子」的結合會比較緊密,有利於順利地進行轉錄。
32.     由此可知,乳醣操縱組活性最強的條件是,周遭環境存在「乳醣」,並且有「轉錄因子」能夠與DNA活化區域結合。
n   翻譯編寫 Carol H. McFadden and William T. Keeton Biology》;圖片來源/Academic.pgcc.eduClasses.midlandstech.edu

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