分解代谢物阻遏(CAP-cAMP)
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假设你有一张高端信用卡,还有一张廉价餐券。只要这张好卡能刷,你就懒得理那张券。只有当卡被拒付,你才肯翻出那张券来用。细菌把葡萄糖当作那张高端卡:只要有葡萄糖,它几乎不理会别的糖,只有当葡萄糖见底,它才开启替代糖的基因。分解代谢物阻遏正是执行这条“葡萄糖优先”次序的系统。
机制如下,它正是乳糖故事里的正调控那一半。细胞间接地感知自己有多少葡萄糖,靠的是一种叫环磷酸腺苷(cAMP)的小信号分子的水平:葡萄糖稀缺时cAMP升高,葡萄糖充足时cAMP下降。一种叫CAP(分解代谢物激活蛋白,又称CRP)的蛋白质只有在cAMP结合上去时才变得有活性。有活性的CAP-cAMP随即结合到乳糖启动子上游不远的一个位点,帮助RNA聚合酶在那儿落脚,从而催旺转录。所以葡萄糖低时,cAMP高、CAP-cAMP结合着、启动子强劲;葡萄糖高时,cAMP低、CAP-cAMP不见了,即使阻遏蛋白早已离开,启动子也很弱。这是货真价实的正调控:一个帮忙而非阻挡的激活蛋白。
把它和阻遏蛋白合起来,就得到了乳糖操纵子的逻辑门。操纵子只有在乳糖在场(于是阻遏蛋白离开操纵基因)“而且”葡萄糖缺席(于是CAP-cAMP结合在启动子上)时,才强烈开火。任一信号单独存在都只给出微弱的输出。这是细胞从两个环境输入计算出一个简单逻辑“与”的最早、最清晰的案例之一。一句诚实话:在许多细菌里,葡萄糖效应还通过别的途径起作用(比如诱导物排斥,它在有葡萄糖时把乳糖挡在外面),所以cAMP-CAP是分解代谢物阻遏中出名的那部分,却不是全部。
想象乳糖操纵子的一张真值表。葡萄糖高、乳糖低:关。葡萄糖高、乳糖高:勉强开(阻遏蛋白走了,但没有CAP助力)。葡萄糖低、乳糖低:关(阻遏蛋白在)。葡萄糖低、乳糖高:强烈开——唯一两个条件都满足的那一行。
把乳糖操纵子当作一个“与”门:只有乳糖在场且葡萄糖缺席时才强劲。
CAP-cAMP只是间接地感知葡萄糖,靠的是cAMP水平——高葡萄糖压低cAMP,撤掉那份助力。而cAMP-CAP并不是葡萄糖效应背后唯一的机制;诱导物排斥也帮着在葡萄糖充足时让替代糖的操纵子保持安静。