分解代謝物阻遏(CAP-cAMP)
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假設你有一張高端信用卡,還有一張廉價餐券。只要這張好卡能刷,你就懶得理那張券。只有當卡被拒付,你才肯翻出那張券來用。細菌把葡萄糖當作那張高端卡:只要有葡萄糖,它幾乎不理會別的糖,只有當葡萄糖見底,它才開啟替代糖的基因。分解代謝物阻遏正是執行這條「葡萄糖優先」次序的系統。
機制如下,它正是乳糖故事裡的正調控那一半。細胞間接地感知自己有多少葡萄糖,靠的是一種叫環磷酸腺苷(cAMP)的小信號分子的水平:葡萄糖稀缺時cAMP升高,葡萄糖充足時cAMP下降。一種叫CAP(分解代謝物激活蛋白,又稱CRP)的蛋白質只有在cAMP結合上去時才變得有活性。有活性的CAP-cAMP隨即結合到乳糖啟動子上游不遠的一個位點,幫助RNA聚合酶在那兒落腳,從而催旺轉錄。所以葡萄糖低時,cAMP高、CAP-cAMP結合著、啟動子強勁;葡萄糖高時,cAMP低、CAP-cAMP不見了,即使阻遏蛋白早已離開,啟動子也很弱。這是貨真價實的正調控:一個幫忙而非阻擋的激活蛋白。
把它和阻遏蛋白合起來,就得到了乳糖操縱子的邏輯門。操縱子只有在乳糖在場(於是阻遏蛋白離開操縱基因)「而且」葡萄糖缺席(於是CAP-cAMP結合在啟動子上)時,才強烈開火。任一信號單獨存在都只給出微弱的輸出。這是細胞從兩個環境輸入計算出一個簡單邏輯「與」的最早、最清晰的案例之一。一句誠實話:在許多細菌裡,葡萄糖效應還通過別的途徑起作用(比如誘導物排斥,它在有葡萄糖時把乳糖擋在外面),所以cAMP-CAP是分解代謝物阻遏中出名的那部分,卻不是全部。
想像乳糖操縱子的一張真值表。葡萄糖高、乳糖低:關。葡萄糖高、乳糖高:勉強開(阻遏蛋白走了,但沒有CAP助力)。葡萄糖低、乳糖低:關(阻遏蛋白在)。葡萄糖低、乳糖高:強烈開——唯一兩個條件都滿足的那一行。
把乳糖操縱子當作一個「與」門:只有乳糖在場且葡萄糖缺席時才強勁。
CAP-cAMP只是間接地感知葡萄糖,靠的是cAMP水平——高葡萄糖壓低cAMP,撤掉那份助力。而cAMP-CAP並不是葡萄糖效應背後唯一的機制;誘導物排斥也幫著在葡萄糖充足時讓替代糖的操縱子保持安靜。