乳糖操作組的作用機制

乳糖操作組的作用機制
國立臺灣大學生命科學系博士生 陳巧坪

生物體之基因於細胞中經轉錄及轉譯作用表現出蛋白質，並可因環境的改變進行表現量的調控，因而有了基因調節的生物現象，大腸桿菌(Escherichia coli)的乳糖操作組(lactose operon，亦稱lac operon)於 1961 年由 Monod 及 Jacob 所發現(Jacob et al., 1961)，是最早發表的基因調控機制，至今仍是最為人所熟知的操作組。

此操作組於大腸桿菌中負責乳糖的運輸及代謝，可將雙糖的乳糖分解為半乳糖及葡糖糖供生物體利用；其包括啟動子 $$(P_{tag})$$、操縱子(operator，$$O_1$$)和結構基因(structure gene)，結構基因又包含 $$LacZ$$、$$LacY$$ 及 $$LacA$$ 三個可轉錄轉譯出不同酵素的基因，$$Z$$ 可做出 $$\beta$$-半乳糖苷酶($$\beta$$-galactosidase)，是將乳糖分解成半乳糖及葡萄糖之酵素，$$Y$$ 可做出通透酶(galactoside permease)，作用是將乳糖由細胞外運送至細胞內，而 $$A$$ 則是做出乙醯基轉化酶(thiogalactoside transacetylase)(高宇, 2007)（如圖一）。

乳糖操作組於腸道沒有乳糖存在的情形下並不需要分解乳糖，因此處於被關閉的情況，抑制子基因(lacI repressor，lacI)的 mRNA 會被轉錄出來，再經由轉譯作用表現出抑制子的蛋白質，此蛋白將與操縱子基因結合，使的 RNA 聚合酶(RNA polymerase)無法和操作組的啟動子結合，抑制了乳糖操作組結構基因的轉錄作用；而若是腸道處於乳糖存在的情況之下，便是需要活化乳糖操作組進行乳糖分解的時候了，此時乳糖作為誘導物(inducer)可與抑制子結合，使其構型改變無法與操縱子結合，結構基因即可因 RNA 聚合酶和啟動子的結合而被轉錄出來，其中的 $$\beta$$-半乳糖苷酶便將乳糖進行分解，達到產生半乳糖及葡萄糖作為碳源的目的。

乳糖操作組的發現不僅證實了基因可被調控的假說，亦於現今的生物技術中被廣泛運用，達到人工控制大腸桿菌基因表現的目標，利用安慰性誘導劑(gratuitous inducer)作為高效率的誘導物，但卻不是所誘導表現之酵素的真正受質(substrate)，例如 IPTG (isopropyl thiogalactoside)為人工合成的乳糖操作組誘導物，其結構和乳醣類似，可誘發 $$\beta$$-半乳糖苷酶和接在此酵素後方之基因工程想表現的目標基因生成，但是 IPTG 卻不會被 $$\beta$$-半乳糖苷酶所分解，因此誘導過程中濃度不會降低(Hansen et al., 1998)，其為實驗室研究中相當常用的誘導劑，可使生物技術的基因選殖工程更有效的進行，降低時間及人力等成本，搭配乳糖操作組的基因調控機制加速了生物科學領域的發展及運用。

圖一 大腸桿菌乳糖操作組(Anderson et al., 2008)。

參考文獻

1. 高宇。2007。生物化學(下)。鼎茂圖書，臺北市。
2. Hansen L.H., S. Knudsen, S.J. Sorensen. (1998) The effect of the lacY gene on the induction of IPTG inducible promoters, studied in Escherichia coli and Pseudomonas fluorescens. Curr Microbiol 36:341-347.
3. Jacob F., J. Monod. (1961) Genetic regulatory mechanisms in the synthesis of proteins. J Mol Biol 3:318-356.
4. Kevin L. Anderson and G. Purdom. (2008) Analysis of Barry Hall’s Research of the E. coli ebg Operon. Proceedings of the Sixth International Conference on Creationism 149–163.