乳糖操纵子发现历程

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1、乳糖操纵子发现历程（本文是我在2005年为了给硕士生上课所整理的材料）已有知识背景1927年HJMuller用X-光进行诱变1941年GeorgeBeadle,ELTatum提出onegene-oneenzyme假说1944年OswaldAvery等证明基因是DNA 1940年，JacquesMonod开始研究E.coli进行乳糖代谢的一些特征研究，观察到乳糖和其他半乳糖苷可以诱导β-半乳糖苷酶的产生。他和MelvinCohn用抗β-半乳糖苷酶抗体检测酶蛋白，发现诱导后酶量增加。进一步研究发现事情更复杂。一些神秘的突变株“crypticmutants”能产生β-半乳糖苷酶，但是却不能在以乳糖

2、为碳源的培养基中生长。这是什么原因呢?为了回答这个问题，他们用放射性标记的半乳糖苷进行研究。发现野生型菌在乳糖诱导后会摄取半乳糖苷，而这种突变型菌不能。 -Lactose+LactoseWildstrain-+Crypticmutant-- 这个实验结果有什么提示呢？1）在野生型菌中，有一种物质与β-半乳糖苷酶一起被诱导，它负责输送半乳糖苷进入细胞。2）突变株中，这种物质的基因被破坏。Monod将这种物质命名为半乳糖苷透过酶。但为此他遭到了同事们的批评，因为他在这个蛋白未分离到之前就进行命名。Monod对当时的情形作了如下描述：Thisattituderemindedmeofthatoftw

3、otraditionalEnglishgentlemenwho,eveniftheyknoweachotherwellbynameandbyreputation,willnotspeaktoeachotherbeforehavingbeenformallyintroduced.Monod和同事努力分离纯化得到了半乳糖苷透过酶。在这个过程中，他们还分离到了另一个蛋白：半乳糖苷转乙酰酶，该酶与β-半乳糖苷酶和半乳糖苷透过酶一起被诱导。这样，到了50年代末，Monod已经知道有三种酶共同被半乳糖苷诱导。他们也发现了一些组成型突变株，不需要诱导就可以产生这三种酶。Monod认识到用遗传学分析可以加快

4、实验进展，所以与同在PasteurInstitute工作的FrancoisJacob开展了合作研究。  在ArthurPardee的协作下，Jacob和Monod构建了局部二倍体（merodiploid），携带着野生型和组成型的等位基因。野生型等位基因证明是显性的。野生型细胞可以产生某种物质使lac基因关闭。这种物质也可以使组成型基因表达关闭，从而局部二倍体也是诱导型的。这种物质他们命名为repressor。组成型菌株的repressor基因有缺陷性突变，即lacI-。Jacob和Monod推测，repressor和某特定DNA序列结合。（称之为operator）。这种结合是特异的，基因突变

5、会影响这种结合。Operator的某些突变可以破坏它和repressor之间的相互作用。这样也会导致组成型表达。那么，如何区别这两种组成型突变呢?他们俩想，如果上述假设是正确的话，那末就可以跟据这个突变是显性还是隐性来进行区别。Jacob打了一个很形象的比喻。同样也要构建局部二倍体。他把局部二倍体中的两个operator比作两个无线电接收器，分别控制进入一个房间的两扇门中的一扇。两个repressor象无线电发射器，发射同样的信号使门关闭。如果一个repressor基因发生突变（不表达），就像一个发射器坏了，另一个发射器仍会工作，两扇门仍然是关闭的。换句话，二倍体中的两个lacoperon仍

6、然是阻遏的。这种突变是隐性的。如果是一个operator发生了突变，就像一个接收器发生了故障，所控制的门市开的。另一扇门的接收器是正常的，门仍然关闭。这样，突变的lacoperon仍然是去阻遏的，表现为显性。这种突变叫顺式显性（cis-dominant）。Operator组成型用Oc表示。 在实验中，Monod等还发现两个突变株，无论有无诱导物存在都不表达lacgene。而且将该突变基因和野生型基因构成局部二倍体时，也表现出不表达lacgene。这种突变是显性的。这也是lacI基因的一种突变结果（lacIs），其产物可以与operator结合，但不能与lactose结合。另外，还有一种突变l

7、acI-d（dominantnegative），不能与operator结合。  Repressor-operator相互作用的实验证明Lacrepressor的纯化（1960sWalterGilbertandBennoMuller-Hill）在当时的条件要完成这件事是非常了不起的工作。Repressor在细胞内含量很低，而且没有简易的方法可以鉴定。当时最敏感的是用标记的合成诱导物IPTG。但是，即使应用这种方