操纵基因

操纵基因是操纵子中的控制基因，通常与启动子相邻，处于开放状态，允许核糖核酸聚合酶通过并作用于启动子启动转录。然而，当操纵基因与调节基因所编码的阻遏蛋白结合时，会从开放状态转变为关闭状态，导致转录无法进行。

基本资料

操纵基因（operator gene; operator; operator locus）是指位于结构基因编码区之前的脱氧核糖核酸区段，它可以结合阻遏物或活化物。操纵基因通常位于基因的启动子后面或与启动子重叠，用于控制邻近基因或基因群的表达。在大肠杆菌乳糖操纵子中，操纵基因O控制结构基因的转录速度，自身不能转录成mRNA。此外，还有启动子区P和调节基因i，后者能转录出mRNA并合成阻遏蛋白，这些成分共同构成操纵子。

乳糖操纵子机制

乳糖操纵子的机制涉及抑制作用和诱导作用。在没有乳糖的情况下，阻遏蛋白结合到操纵基因上，抑制核糖核酸聚合酶与启动基因结合，进而抑制结构基因的转录。而在乳糖存在的条件下，异构乳糖与阻遏蛋白结合，使其失去与操纵基因的结合能力，从而使结构基因得以转录。此外，还存在负反馈机制，即随着β-半乳糖苷酶的产生，乳糖被分解，导致阻遏蛋白再次与操纵基因结合，关闭结构基因的转录。

色氨酸操纵子

色氨酸操纵子是一种特殊的操纵子，它负责调控色氨酸的生物合成。当培养基中含有足够色氨酸时，操纵子关闭；反之，则开启。在这种情况下，色氨酸起到的是辅助阻遏的作用，而非诱导作用。

鉴定方法

操纵基因可以通过限制性内切酶分离出与蛋白质结合的脱氧核糖核酸片段来进行鉴定。这种方法称为足迹图法，类似于蛋白质的指纹图法。通过这种方式，可以确定操纵基因的结构及其与阻遏物的结合特性。

基本结构

操纵基因的结构特点包括反向重复或毗邻重复。例如，乳糖操纵基因的片段由24个核苷酸组成，其中约16个与二重对称轴相关。这种对称性使得阻遏蛋白的两个亚基能够同时结合在操纵基因上，从而防止转录的发生。

研究成果

通过X射线晶体学技术，研究人员已测定了多种结合蛋白与DNA的三维结构，揭示了调节蛋白（阻遏蛋白）与特定DNA部位的结合模式。这些研究表明，调节蛋白与脱氧核糖核酸的结合主要依赖于两股较短且邻近的α-螺旋。

应用实例

科学家们已经建立了能够在哺乳动物中研究基因功能的系统。其中一个例子是通过将细菌遗传学中的lac抑制子引入实验鼠体内，实现了对基因表达的精确控制。这种系统可以使鼠的皮毛颜色随饮水中的乳糖含量变化而改变，提供了直观的基因功能展示。

参考资料

操纵基因.知乎专栏.2024-10-30