乳糖抑制子

乳糖抑制子（英語：Lac repressor）是一種DNA結合蛋白，可抑制編碼細菌的乳糖代謝中所涉及的蛋白質的基因的表達。當乳糖不存在於細胞中時，這些基因會被抑制，從而確保細菌僅在存在乳糖的情況下才將能量投入到攝取和利用乳糖所必需的機制中。當乳糖在細菌體內轉化為異乳糖後，異乳糖會與乳糖抑制子結合，導致乳糖抑制子產生別構調節，從而抑制了其與DNA的結合能力，進而增加乳糖代謝通路相關蛋白的基因表達。

功能

乳糖抑制子 (LacI) 通過其DNA 結合域中的螺旋-轉角-螺旋的結構基序起作用。該結構基序的鹼基特異性地結合到乳糖操縱子的大溝，鹼基接觸也由對稱相關的殘基構成。α螺旋，「鉸鏈」螺旋，深深地結合在小溝中。 ^[1]這種已與DNA結合的抑制子可以通過封閉 RNA 聚合酶結合位點或促進 DNA 成環來減少乳糖蛋白的轉錄。 ^[2]當存在乳糖時，異乳糖與乳糖抑制子結合，導致其發生變構。在其變構下， lac阻遏蛋白無法與其同源操縱子緊密結合。因此，儘管基因表達的程度取決於細胞中乳糖抑制子的數量和其與 DNA 的結合親和力，但在沒有誘導劑的情況下，該基因大多是關閉的，而在有誘導劑的情況下大多是開啟的。 ^[3]異丙基 β-D-1-硫代吡喃半乳糖苷(IPTG) 是一種常用的異乳糖模擬物，可用於誘導受lac阻遏物調節的基因的轉錄。

結構

四聚體LacI結合兩個操作序列並誘導DNA迴圈。兩個二聚體 LacI 功能亞基（紅色+藍色和綠色+橙色）各自結合一個 DNA 操作序列（標示）。這兩個功能性亞基在四聚體化區域（標示）耦合；因此，四聚體 LacI 結合兩個操作序列。這使得四聚體LacI可以誘導DNA迴圈。

從結構上來看，乳糖抑制蛋白是一個同源四聚體。更精確地說，四聚體包含兩個DNA結合亞單位，各由兩個單體組成（二聚體的二聚體）。每個單體由四個不同的區域組成：^[4]^[5]^[6]

一個N-端DNA結合域（其中兩個Lac 蛋白結合一個操作位點）
一個調控結構域（有時也稱為核心結構域，可結合異位效應分子 allolactose）
一個連接DNA結合結構域與核心結構域的連結體（有時稱為鉸鏈螺旋，對於異位效應溝通非常重要^[6]）。
一個C-端四聚化區域（將四個單體結合為一個alpha螺旋束）

DNA結合是透過N-端螺旋-轉角-螺旋結構模體進行，並針對數個操作者DNA序列（稱為O₁, O₂和O₃）之一。

DNA結合的搜尋動力學

發現

1966年，沃特·吉爾伯特 (Walter Gilbert) 和Benno Müller-Hill首次分離出乳糖抑制子。^[7] 他們發現，在體外 (in vitro)，蛋白質會與含有乳糖操作子的DNA結合，當加入IPTG （異戊二糖的結構類似物）時，蛋白質會釋放DNA。

參見

乳糖操縱組

參考資料

^ Crystal structure of LacI member, PurR, bound to DNA: minor groove binding by alpha helices. Science. November 1994, 266 (5186): 763–70. PMID 7973627. doi:10.1126/science.7973627.
^ Comparison of the theoretical and real-world evolutionary potential of a genetic circuit. Physical Biology. 2014, 1 (2): 026005. PMC 4051709  . PMID 24685590. doi:10.1088/1478-3975/11/2/026005.
^ Tuning Transcriptional Regulation through Signaling: A Predictive Theory of Allosteric Induction. Cell Systems. 2018, 6 (4): 456–469. PMC 5991102  . PMID 29574055. doi:10.1016/j.cels.2018.02.004.
^ Goodsell DS. Lac Repressor. RCSB Protein Data Bank. 2003. doi:10.2210/rcsb_pdb/mom_2003_3.
^ Lewis M. The lac repressor. Comptes Rendus Biologies. June 2005, 328 (6): 521–48. PMID 15950160. doi:10.1016/j.crvi.2005.04.004  .
^ ^6.0 ^6.1 Swint-Kruse L, Matthews KS. Allostery in the LacI/GalR family: variations on a theme. Current Opinion in Microbiology. April 2009, 12 (2): 129–37. PMC 2688824  . PMID 19269243. doi:10.1016/j.mib.2009.01.009.
^ Gilbert W, Müller-Hill B. Isolation of the lac repressor. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. December 1966, 56 (6): 1891–8. Bibcode:1966PNAS...56.1891G. PMC 220206  . PMID 16591435. doi:10.1073/pnas.56.6.1891  .

外部連結

醫學主題詞表（MeSH）：Lac Repressor
More information on the lac repressor molecule （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） on protein database
Lac Repressor in Proteopedia （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）.

[1] Crystal structure of LacI member, PurR, bound to DNA: minor groove binding by alpha helices. Science. November 1994, 266 (5186): 763–70. PMID 7973627. doi:10.1126/science.7973627.

[2] Comparison of the theoretical and real-world evolutionary potential of a genetic circuit. Physical Biology. 2014, 1 (2): 026005. PMC 4051709  . PMID 24685590. doi:10.1088/1478-3975/11/2/026005.

[3] Tuning Transcriptional Regulation through Signaling: A Predictive Theory of Allosteric Induction. Cell Systems. 2018, 6 (4): 456–469. PMC 5991102  . PMID 29574055. doi:10.1016/j.cels.2018.02.004.

[4] Goodsell DS. Lac Repressor. RCSB Protein Data Bank. 2003. doi:10.2210/rcsb_pdb/mom_2003_3.

[5] Lewis M. The lac repressor. Comptes Rendus Biologies. June 2005, 328 (6): 521–48. PMID 15950160. doi:10.1016/j.crvi.2005.04.004  .

[pmid19269243-6] 6.0 ^6.1 Swint-Kruse L, Matthews KS. Allostery in the LacI/GalR family: variations on a theme. Current Opinion in Microbiology. April 2009, 12 (2): 129–37. PMC 2688824  . PMID 19269243. doi:10.1016/j.mib.2009.01.009.

[7] Gilbert W, Müller-Hill B. Isolation of the lac repressor. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. December 1966, 56 (6): 1891–8. Bibcode:1966PNAS...56.1891G. PMC 220206  . PMID 16591435. doi:10.1073/pnas.56.6.1891  .

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