第六章第七节基因调控
基因的化学本质是DNA，基因决定着遗传。基因的这种决定作用是如何实现的？遗传学家发
现，基因的决定作用是否得到实现还受到其他基因的调控。许许多多的生命现象，都在基因
调控的基础上得到更深入、更完整的理解。
操纵子学说的基本内容
1961年，法国科学家莫诺与雅可布发表《蛋白质合成中的遗传调节机制》一文，提出操纵子
学说，开创了基因调控的研究。四年后的1965年，莫诺与雅可布即荣获诺贝尔生理学医学奖
。
莫诺与雅可布最初发现的是大肠杆菌的乳糖操纵子。这是一个十分巧妙的自动控制系统，这
个自动控制系统负责调控大肠杆菌的乳糖代谢。
乳糖可作为培养大肠杆菌的能源。大肠杆菌能产生一种酶（叫做“半乳糖苷酶”)，能够催
化乳糖分解为半乳糖和葡萄糖，以便作进一步的代谢利用。编码半乳糖苷酶的基因（简称z
）是一个结构基因。这个结构基因与操纵基因共同组成操纵子。操纵基因受一种叫做阻遏蛋
白的蛋白质的调控。当阻遏蛋白结合到操纵基因之上时，乳糖会起诱导作用，它与阻遏蛋白
结合，使之从操纵基因上脱落下来。这时，操纵基因开启，相邻的
结构基因也表现活性，细菌就能分解并利用乳糖了，这样，乳糖便成了诱导半乳糖苷酶产生
的诱导物。
上述内容表明，大肠杆菌的乳糖操纵子是一个十分巧妙的自动控制系统：当培养基中含
有充分的乳糖，同时不含葡萄糖时，细菌便会自动产生半乳糖苷酶来分解乳糖，以资利用。
当培养基中不含乳糖时，细菌便自动关闭乳糖操纵子，以免浪费物质和能量。
20世纪60年代中期，在操纵子中还发现了另一个开关基因，称为启动基因。启动基因位于操
纵基因之前，二者紧密相邻。启动基因由环腺苷酸启动，而环腺苷酸能被葡萄糖抑制。这样
，葡萄糖便通过抑制环腺苷酸而间接抑制启动基因，使结构基因失活，停止合成半乳糖苷酶
。
由此可知，结构基因同时受两个开关基因——操纵基因与启动基因的调控。只有当这两
个开关都处于开启状态时，结构基因才能活化。当培养基中同时存在葡萄糖和乳糖时，葡萄
糖通过抑制环腺苷酸而间接抑制启动基因，并进而抑制结构基因，使细菌不产生半乳糖苷酶
。这种情况下，细菌便会自动优先利用葡萄糖，因为葡萄糖是比乳糖更好的能源。
1969年，贝克维斯从大肠杆菌的DNA中分离出乳糖操纵子，完全证实了雅可布和莫诺的模型
。
在启动基因发现之前，莫诺和雅可布的操纵子模型中，直接对结构基因起操纵作用的开关基
因，仅有一个操纵基因。因此，有人开玩笑说：“半个操纵子就可以得诺贝尔奖。”对某一
项成就，人们如果说它的一半就可以实现某种重要作用，就表明这项成就的伟大。我国北宋
时代的名臣赵普就有“半部《论语》就可以治天下”的名言，由此也可见操纵子学说的巨大
意义。
摩尔根的基因调控思想
基因调控概念的历史渊源，最早可以追溯到遗传学的奠基人之一摩尔根在20世纪30年代的一
演讲。1933年，摩尔根以染色体遗传理论和基因学说荣获诺贝尔生理学医学奖。但他忙于研
究工作，未去参加授奖仪式。次年6月，他在斯德哥尔摩作了题为《遗传学对医学和生理学
的贡献》的演讲。在这篇演讲中，摩尔根首次提出了富于魅力的基因调控概念。他说：“卵
是未分化的细胞，它经过一系列已知的预定变化，分化成器官或组织。在每次卵裂中，染色
体纵裂，均等无误地分成两半，包含在各个细胞中的基因类型也完全相同。既然如此，细胞
却分化成肌腱，分化成神经元，或分化成生殖细胞，是什么原因呢？”为了解决这个细胞的
遗传物质基础相同，却为何向不同方向分化的疑难，摩尔根提出了基因调控假说：“随着胚
通过发育的各个阶段，不同的基因群相继活动起来。这种先后顺序可被假设为基因链本身具
备的一种自动控制特性所决定。可以认为，在卵的各部分影响的基因是不同的。因此，可以
推测由基因控制的最初反应的生成物将对其周围细胞质产生影响。而发生了变化的细胞质又
反过来作用于基因，使别的基因群活化。如果事实是这样的话，也许就可以圆满地描绘出发
育过程的机制。”同一年，摩尔根出版《胚胎学与遗传学》一书，又一次阐述了这一观点。
早在50多年前，就能如此正确地提出基因调控及其与胚胎发育过程中细胞分化关系的概
念，真是令人惊异！摩尔根最初研究胚胎学，后来转而以果蝇为实验材料研究遗传学。在这
两个领域都有坚实的基础，加上深邃的洞察力，使摩尔根能够用基因调控假说把遗传学与胚
胎学联系起来。早在1926年，摩尔根长期以来形成的胚胎学与遗传学相联系的思想，使他在
科学史上首次提出了基因调控概念。
摩尔根在30年代就提出的基因调控概念，在此后10多年中未引起科学界的充分注意。也许，
是这一概念在时代上超前了；也许，是摩尔根本人提出的基因学说的夺目光辉，掩盖了他自
己提出的，当时尚不足以引人注目的基因调控假说这一颗小星星的光芒。后来，美国的著名
遗传学家、诺贝尔奖获得者麦克林托克回忆说，40年代，在大多数遗传学家中间，“控制的
思想甚至连想都没有想过”。
昆虫激素与基因调控
1960年，克列瓦和卡尔逊在摇蚊幼虫中观察到，昆虫激素蜕皮酮能诱发唾腺染色体上一定部
位膨突的出现，预示幼虫将要化蛹。这一实验结果提供了一个由激素来调控具有特定作用基
因位点活动的模型。某些基因的活动可以受到激素或其他基因的调控，这一概念就成为莫诺
和雅可布提出操纵子学说的前奏。
二次生长现象
如同所有重大科学发现一样，操纵子学说是许多杰出科学家智慧的共同结晶。然而，其中贡
献最大，对该理论的形成自始至终起决定作用的是莫诺。
莫诺很早就与遗传学结下了不解之缘。1936年夏，他曾到世界遗传学中心——摩尔根的
实验室进修过一年。尽管如此，莫诺的科学生涯却不是从遗传而是从微生物生理学开始的。
他从1937年起开始以大肠杆菌为材料，研究细菌的生理问题，不久即发现了细菌的二次生长
现象：当细菌在含有葡萄糖和乳糖的培养基上生长时，细菌首先利用葡萄糖，葡萄糖用完以
后才开始利用乳糖。从生长曲线看，细菌生长经过一个上升期以后，出现一个停顿期，此时
曲线呈现平坦状态，然后又出现第二个上升期。这就是说，细菌在利用乳糖之前，先要有一
个“适应过程”。
此后，莫诺围绕这一现象做了一系列研究。从表现上看，由于与利用乳糖有关的基因处
在一个操纵子内，二次生长现象的最后解决必须靠操纵子学说，所以，莫诺从一开始就“歪
打正着”，走上了发现操纵子学说的必由之路。
1943年，莫诺从文献中查到，卡斯特罗姆在1930年就发现过类似的现
象。卡斯特罗姆认为，细胞中利用葡萄糖的酶无论何时都在不断的产生，因此它在细胞中能
维持一定的浓度，好像细胞的一种成分一样，称组成酶。而利用乳糖的酶在细胞中仅恒量存
在，只有当作为底物的乳糖存在时才会促进它的生成，这种酶称适应酶（现在通称诱导酶）
。1938年，尤金用质量作用定律解释适应酶的产生。他指出，不管是组成酶还是适应酶，它
们在形成时要经过一个“前体”阶段，前体只有经过激活才能转变成有活性的酶。