2012年9月2日 讯 /生物谷BIOON/ --近日，刊登在国际著名杂志PLoS Computational Biology上的一篇研究报告中，来自莱斯大学和田纳西大学的研究者提出了操纵子存在的一种可能解释，操纵子是由若干基因构成的一种基因簇，是在细菌的染色体中发现的，然而在高等动物如人类中并没有发现操纵子的存在。
研究者Monod和Jacob首次发现了操纵子，并因此获得了1965年的诺贝尔生理医学奖。这项研究中，研究者lgoshin和Ray通过应用数学和生物信息学技术来研究细胞的信号转导以及其它的生化反应过程。当细胞对环境作出反应后，其可以用来调节子来控制基因的表达，但是控制量却非常有限，就好比是信使RNA分子一样非常有限。因此在细菌中，基因所表达的蛋白量是在不断变化着的，这一小时是50拷贝，下一拷贝就有可能变成100拷贝。这种随机的变化对于原核细胞并不是问题，因此研究者假设操纵子可以帮助细菌处理这些繁琐的过程。
为了验证这些假设，研究者开发出了一系列基于基因网络的数学模型，其可以在电脑上进行运行，而且研究者在生物信息学数据库中可以模拟一些实验。数学模型涵盖了6种不同类型的蛋白质-蛋白质反应，对于每一种反应来说，研究者都对比了操纵子如何影响成员基因所编码的基因网络的复杂状况。研究者检测了大肠杆菌基因组的操纵子构架，发现不同的编码反应可以抑制这种比较复杂的过程时，操纵子出现地非常频繁。当编码反应不抑制时，操纵子就不会频繁出现。
研究者lgoshin说，在大肠杆菌进化过程中出现的操纵子与选择性的进化是分不开的。特定的基因，当其作为一个单元一起进行表达时，往往会更好地展现其功能，尤其是这些基因可以产生共同的成分。
如果我们需要从不同的物种中得到多重的酶类，并且将其移植入细菌中，然后产生低廉高效的药物，那么我们就需要将表达不同酶类的基因插入到细菌染色体的不同位置，但是如今研究者的研究发现可以明显简化此过程，相关研究成果由国家医学图书馆计算生物学协会等机构提供资助。（生物谷Bioon.com）
编译自：Mystery of Operon Evolution Probed
doi:10.1371/journal.pcbi.1002672
PMC:
PMID:
Interplay of Gene Expression Noise and Ultrasensitive Dynamics Affects Bacterial Operon Organization
J. Christian J. Ray1,2, Oleg A. Igoshin1,2*
Bacterial chromosomes are organized into polycistronic cotranscribed operons, but the evolutionary pressures maintaining them are unclear. We hypothesized that operons alter gene expression noise characteristics, resulting in selection for or against maintaining operons depending on network architecture. Mathematical models for 6 functional classes of network modules showed that three classes exhibited decreased noise and 3 exhibited increased noise with same-operon cotranscription of interacting proteins. Noise reduction was often associated with a decreased chance of reaching an ultrasensitive threshold. Stochastic simulations of the lac operon demonstrated that the predicted effects of transcriptional coupling hold for a complex network module. We employed bioinformatic analysis to find overrepresentation of noise-minimizing operon organization compared with randomized controls. Among constitutively expressed physically interacting protein pairs, higher coupling frequencies appeared at lower expression levels, where noise effects are expected to be dominant. Our results thereby suggest an important role for gene expression noise, in many cases interacting with an ultrasensitive switch, in maintaining or selecting for operons in bacterial chromosomes./P>
