乳糖阻遏蛋白与异乳糖诱导(lac repressor and allolactose induction)
/ lack re-PRESS-er; al-oh-LACK-tose /
想象一个把门夹得紧紧的夹子。这夹子有两端:一端攥住门,另一端有个小槽。把对的钥匙塞进槽里,夹子就恰好变形到能松开门。乳糖阻遏蛋白就是这样一个蛋白质夹子,而异乳糖就是那把钥匙。两者合起来,解释了细菌如何把乳糖基因关着、直到乳糖真的到来,然后让它们一下子弹开。
乳糖阻遏蛋白是一种蛋白质,由lacI基因不断制造,它结合乳糖操纵基因,实实在在地挡住RNA聚合酶、不让它转录这个操纵子。它靠的是分子识别:蛋白质的一部分严丝合缝地嵌入操纵基因的序列,于是基因默认关着。关键在于第二个结合口袋。当乳糖进入细胞,β-半乳糖苷酶把其中一小部分重排成异乳糖(乳糖的同分异构体)。异乳糖滑进那个口袋,充当变构诱导物——结合它会改变阻遏蛋白的形状,使其攥DNA的那端不再嵌得进操纵基因。阻遏蛋白掉下来,聚合酶获得自由,操纵子开启。等乳糖用光,异乳糖消失,阻遏蛋白回到攥DNA的形状,重新夹上,操纵子又关上。
这是整个分子生物学中诱导物负调控最干净利落的实例,也是变构作用的教科书案例——一个小分子通过从远处重塑蛋白质(而非在活性位点上)来控制它。有两个诚实的细节要紧:诱导物是异乳糖,而不是乳糖直接起作用(实验室里人们用IPTG,一种稳定、不被分解的类似物);而且阻遏蛋白攥操纵基因从不绝对完美,所以总有一丝微弱的转录渗漏——而这恰恰提供了最初那点β-半乳糖苷酶,去制造第一批异乳糖。
给大肠杆菌加入乳糖,一两分钟内β-半乳糖苷酶就把其中一部分转成异乳糖;异乳糖结合阻遏蛋白,阻遏蛋白释放操纵基因,lacZYA的转录随即飙升。把乳糖洗掉,阻遏蛋白重新夹上,又把操纵子关回去。
真正的诱导物异乳糖重塑阻遏蛋白,使它松开操纵基因。
一个常见的口误是把乳糖称作诱导物;真正的诱导物是异乳糖,一种重排后的形式。阻遏蛋白的释放是变构的(形状改变),而不是诱导物去和DNA位点本身竞争。