Operator是基因吗？

    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lacZ、lacY、lacA ^[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lacZ、lacY、lacA，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, lacY和lacA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]。

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）

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