Operator是基因吗?

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所属分类:Popular Science

讲分子生物学的时候,很多学生会问我: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lacZlacYlacA [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lacZlacYlacA,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, lacYlacA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《分子生物学》教材的时候,将其翻译成“操纵元件”[6]了。

参考文献:

[1] 孙乃恩, 孙东旭, 朱德煦. 1990. 分子遗传学. 南京:南京大学出版社, 286(书)

[2] 杨业华. 2008.基因的分子生物学. 北京:高等教育出版社. 30(书)

[3] Watson, J. D. 等著,杨焕明等译. 2009. 基因的分子生物学. 北京:科学出版社,547(书)

[4] 朱玉贤,李毅,郑晓峰. 2007. 现代分子生物学. 北京:高等教育出版社,237(书)

[5] 郜金荣,页林柏. 2007. 分子生物学. 武汉:武汉大学出版社,310(书)

[6] 乔中东. 2012. 分子生物学,北京:军事医学科学出版社,356.

[7] 李明刚,2004. 高级分子遗传学. 北京:科学出版社, 646(书)

[8] Lewin, B.著,赵寿元译,2007. 基因Ⅷ精要. 北京:科学出版社, 285(书)

[9] Snustad, D. P. , Simmons, M. J.著,赵寿元,乔守怡译.2011.遗传学原理(第3版).北京:  高等教育出版社,546(书)

[10] 张玉静. 2000. 分子遗传学. 北京:科学出版社,230(书)

[11] 李振刚. 2000. 分子遗传学(第1 版). 北京:科学出版社,127(书)

[12] 李振刚. 2008. 分子遗传学(第3版). 北京:科学出版社,168(书)

[13] 徐晋麟,赵春耕,秦敏君. 2008. 现代英汉遗传学词典. 北京:科学出版社,292(书)

[14] Singleton, P. , Sainsbury, D. 著;马清钧,石成华等译. 2007.英汉微生物学与分子生物学词典(第3版) . 北京:化学工业出版社,785(书)

[15] 全国科学技术名词审定委员会. 2009. 细胞生物学名词(第2版). 北京:科学出版社,110(书)

[16] 张光毅等. 1999. 生物化学与分子生物学. 南京:东南大学出版社,81(书)

[17] 张恒. 2007. 生物化学与分子生物学. 郑州:郑州大学出版社,407(书)

[18] 黄诒森,张光毅. 2008. 生物化学与分子生物学. 北京:科学出版社,223(书)

[19] 韩贻仁. 2001. 分子细胞生物学. 北京:科学出版社,448(书)

[20] 赵亚华. 2011. 分子生物学教程. 北京:科学出版社,259(书)

文章经作者允许,转载自乔中东教授个人博客,http://bbs.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=616948

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    • benbenlong benbenlong 0

      我们分子生物学老师把它译作“操纵序列”。