【文章內(nèi)容簡介】 濃度高 有葡萄糖cAMP濃度低 RNApol O O O O lac操縱子基因表達既需要乳糖又需缺乏葡萄糖 色氨酸操縱子 (tryptophane operon)負責 色氨酸的生物合成 ，當培養(yǎng)基中有足夠的色氨酸時，這個操縱子自動關(guān)閉，缺乏色氨酸時操縱子被打開， trp基因表達，色氨酸或與其代謝有關(guān)的某種物質(zhì)在阻遏過程（而不是誘導過程）中起作用。由于 trp體系參與生物合成而不是降解，它不受葡萄糖或 cAMPCAP的調(diào)控。 二）色氨酸操縱子 色氨酸的合成分 5步完成。每個環(huán)節(jié)需要一種酶，編碼這 5種酶的基因緊密連鎖在一起，被轉(zhuǎn)錄在一條多順反子 mRNA上，分別以 trpE、 trpD、trpC、 trpB、 trpA代表，編碼鄰氨基苯甲酸合成酶、鄰氨基苯甲酸焦磷酸轉(zhuǎn)移酶、鄰氨基苯甲酸異構(gòu)酶、色氨酸合成酶和吲哚甘油 3磷酶合成酶。 1. 色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu) ◆ trpR(89’)和 trpABCDE(25’)不緊密連鎖； ◆ 操縱基因在啟動子內(nèi) ◆ 有衰減子 (attenuator) ◆ 啟動子和結(jié)構(gòu)基因不直接相連， 二者被前導順序 (Leader)所 隔開 trpE基因是第一個被翻譯的基因，與其相鄰的是前導區(qū) trpL和衰減子 trpa。 trp操縱子中產(chǎn)生阻遏物的基因是 trpR，該基因距 trp基因簇很遠，后者在大腸桿菌染色體圖上 25min處，而前者則位于 90min處。 在位于 65min處還有一個 trpS（色氨酸 tRNA合成酶），它和攜帶有 trp的 tRNATrp也參與 trp操縱子的調(diào)控作用。 負調(diào)控 阻遏系統(tǒng) trpR基因在其自身的啟動子作用下，合成分子量 47000的調(diào)控蛋白，但沒有與 O結(jié)合的活性，因此被稱為 輔阻遏蛋白 (aporepressor)，除非培養(yǎng)基中有色氨酸。 輔阻遏蛋白與色氨酸相結(jié)合形成有活性的阻遏物，與操縱區(qū)結(jié)合并使之關(guān)閉轉(zhuǎn)錄 trp mRNA。 高 Trp時： 輔阻遏物蛋白 +Trp 結(jié)合操縱基因 不轉(zhuǎn)錄 低 Trp時： 輔阻遏物蛋白 不結(jié)合操縱基因 轉(zhuǎn)錄 Trp 有 Trp 無 Trp mRNA O P trpR 調(diào)節(jié)區(qū) 結(jié)構(gòu)基因 RNA聚合酶 RNA聚合酶 色氨酸操縱子 ◆ 前導區(qū)的序列特點 ◆ 轉(zhuǎn)錄衰減機制 ◆ 衰減機制的實驗證據(jù) 前導區(qū)（ Leader）： 結(jié)構(gòu)基因起始密碼子前有 162個堿基，其中的 139個堿基構(gòu)成前導區(qū)。 ?前導肽（ Leader peptide）：推測前導區(qū) mRNA可編碼 14個氨基酸 組成的多肽，其中第 10和第 11位均為色氨酸。 ?有四個富含 GC的區(qū)段，相鄰的區(qū)段之間可形成莖環(huán)結(jié)構(gòu)。 ?弱化子（ attenuator ）： 一段位于結(jié)構(gòu)基因上游前導區(qū)，具有終止子結(jié)構(gòu)的短序列，通過前導序列轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的 mRNA 形成類 似于終止子的二級結(jié)構(gòu)，達到轉(zhuǎn)錄終止的目的。 UUUU…… UUUU…… 調(diào)節(jié)區(qū) 結(jié)構(gòu)基因 trpR O P 前導序列 衰減子區(qū)域 UUUU…… 前導 mRNA 1 2 3 4 衰減子結(jié)構(gòu) 第 11密碼子為 trp密碼子 終止密碼子 14aa前導肽編碼區(qū) : 包含序列 1 形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)能力強弱： 序列 1/2序列 2/3序列 3/4 trp 密碼子 UUUU…… UUUU…… 3 4 UUUU 3’ 3 4 核糖體 前導肽 前導 mRNA 1）轉(zhuǎn)錄衰減機制 1 2 5’ trp 密碼子 衰減子結(jié)構(gòu) 就是終止子 可使轉(zhuǎn)錄 前導 DNA UUUU 3’ RNA聚合酶 終止 UUUU…… 3 4 2 4 2 3 UUUU…… 核糖體 前導肽 前導 mRNA 1 5’ trp 密碼子 結(jié)構(gòu)基因 前導 DNA RNA聚合酶 Trp合成酶系相關(guān) 結(jié)構(gòu)基因被轉(zhuǎn)錄 序列 4不能形成衰減子結(jié)構(gòu) Low Trp High Trp 高 Trp時： TrptRNATrp 存在 核糖體通過片段 1(2個 Trp密碼子 ) 封閉片段 2 片段 3， 4形成 發(fā)夾結(jié)構(gòu) 類似于不依賴 ρ因子的轉(zhuǎn)錄終止序列 RNA聚合酶停止轉(zhuǎn)錄 ,產(chǎn)生衰減子轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物 轉(zhuǎn)錄、翻譯偶聯(lián) ,產(chǎn)生前導肽 低 Trp時： TrptRNATrp 沒有供應(yīng) 核糖體翻譯停止在片段 1 （ 2個 Trp密碼子） 片段 2， 3 形成 發(fā)夾結(jié)構(gòu) 轉(zhuǎn)錄不終止 RNA聚合酶繼續(xù)轉(zhuǎn)錄 2）衰減機制的實驗證據(jù) a 衰減作用的發(fā)現(xiàn) ? trp 操縱子受阻遏蛋白阻遏時，表達僅下降為阻遏 前的 1/70，而 Lac 操縱子受阻遏蛋白阻遏時，表達 下降為阻遏前的 1/1000 ? trpS5突變株 溫度敏感型突變株，它所編碼的 TrptRNAtrp合成酶 只在 30℃ 時有活性， 42℃ 時無酶活性。比較野生型和 突變型在 42℃ 和 30℃ 時 Asase的酶活性，表明 Trp tRNAtrp有調(diào)節(jié)功能 ? trpΔLD102突變株 該細菌在有色氨酸的培養(yǎng)基中仍有很高的色氨酸合 成酶活性 trpΔED53 中 L 不缺失 （ 弱化子存在 ） ，trpΔLD102中 L缺失 （ 弱化子不存在 ） ， 缺失前導區(qū)后的表達比有前導區(qū)的表達要高得多 ， 充分說明 trp操縱子的表達調(diào)控除阻遏作用外 ， 還受到 前導區(qū) 的影響 ， 失去了這個因素就失去了一個調(diào)控機制 。 b 衰減作用的遺傳學證據(jù) ? trpL29突變株 增強終止突變型 前導區(qū) 29位核苷酸 G→A ，使 AUG→AUA ? trpL75突變株 增強終止突變型 前導區(qū) 75位核苷酸 G→A, 減弱了 2區(qū)和 3區(qū)形成莖環(huán)能力 ? trpL29 trpL131G→C 雙突變株 trpL29 ΔtrpLC1419雙突變株 解除終止 ? Trp的存在對終止轉(zhuǎn)錄是有效的，弱化子僅允許約 10%的RNA聚合酶通過。 ? 缺乏 Trp時，弱化子允許所有的聚合酶通過。 3)其他氨基酸饑餓對 Trp衰減子的影響 ? 當所有的氨基酸都不足時，核糖體翻譯移動的速度就更慢， 結(jié)果有利于 1+2和 3+4發(fā)夾結(jié)構(gòu)的形成，于是 RNA pol停止 轉(zhuǎn)錄。 ?大多數(shù)其他氨基酸的缺乏， 核糖體停止運轉(zhuǎn)的位置可讓 1區(qū)和 2區(qū)配對，并不影響 3區(qū)和 4 區(qū)形成終止子結(jié)構(gòu)，所以 trp基因不表達 ?當 Gly饑餓時， 1區(qū)和 2區(qū)中可形成部分雙鏈結(jié)構(gòu)，不影響 3區(qū)和 4區(qū) ?當 Thr饑餓時， 影響 1區(qū) /2區(qū)和 2區(qū) /3區(qū)配對。但不影響 3區(qū)和 4區(qū)配對 ?當 Arg饑餓時， 影響 1區(qū) /2區(qū)配對，但不影響 2區(qū) /3區(qū)配對， 3區(qū)和 4區(qū)不配對 4）協(xié)調(diào) ?阻遏作用：粗調(diào)開關(guān) 阻遏物的作用是當有大量外源色氨酸存在時，阻止非必需的先導 mRNA的合成，它使這個合成系統(tǒng)更加經(jīng)濟。 阻遏作用的信號是細胞內(nèi)色氨酸的多少。 ?弱化作用：細調(diào)開關(guān) 弱化作用的信號是 TrptRNAtrp的多少，通過控制前導肽的翻譯來控制轉(zhuǎn)錄的進行 依靠弱化作用，色氨酸的存在就使色氨酸操縱子的轉(zhuǎn)錄被抑制了 10倍。與色氨酸阻抑物的作用 (70倍 )合在一起，這就意味著色氨酸水平對色氨酸操縱子的表達施加了 700倍的調(diào)節(jié)效果。 有實驗證明，在不加色氨酸的培養(yǎng)基中， trp mRNA的合成仍然受到 部分阻遏 ，現(xiàn)在一般認為，野生型細胞中同時存在著有活性和無活性的阻遏物，培養(yǎng)基中色氨酸濃度的變化，能夠使這兩種阻遏物間的平衡發(fā)生傾斜，最終做出關(guān)閉或啟動trp操縱子的決定，從而維持一定的色氨酸含量。 5）原核生物衰減作用的普遍性 三） 半乳糖操縱子 (galactose operon) 包括 3個結(jié)構(gòu)基因： 異構(gòu)酶 (UDPgalactose4epimerase,galE)， 半乳糖 磷酸尿嘧啶核苷轉(zhuǎn)移酶 (galactose transferase, galT)， 半乳糖激酶 (galactose kinase, galK)。 這 3個酶的作用是使半乳糖變成葡萄糖 1磷酸。GalR（調(diào)節(jié)基因） 與 galE、 T、 K及操縱區(qū) O等離得很遠，而 galR產(chǎn)物對 galO的作用與 lacIlacO的作用相同。 A gal操縱子的特點： ① 它有 兩個啟動子 ，其 mRNA可從兩個不同的起始點開始轉(zhuǎn)錄； ② 它有 兩個 O區(qū) ，一個在 P區(qū)上游 6753，另一個在結(jié)構(gòu)基因 galE內(nèi)部。 兩個相距僅 5bp的啟動子，可以分別起始mRNA的合成。每個啟動子擁有各自的 RNA聚合酶結(jié)合位點 S1和 S2。 從 S1起始的轉(zhuǎn)錄只有在培養(yǎng)基中 無葡萄糖 時，才能順利進行， RNA聚合酶與 S1的結(jié)合需要半乳糖、 CAP和較高濃度的 cAMP。從 S2起始的轉(zhuǎn)錄則完全依賴于 葡萄糖 ，高水平的 cAMPCAP能抑制由這個啟動子起始的轉(zhuǎn)錄。 當有 cAMPCAP時，轉(zhuǎn)錄從 S1開始，當無 cAMPCAP時，轉(zhuǎn)錄從 S2開始。 B 雙啟動子的功能 半乳糖不僅可以碳源供細胞生長，而且尿苷二磷酸半乳糖（ UDPgal）是大腸桿菌細胞壁合成的前體。在沒有外源半乳糖的情況下，UDPgal是通過 半乳糖差向異構(gòu)酶（ galE ） 的作用由 UDP葡萄糖 合成的。生長過程中的所有時間里細胞必須能夠合成差向異構(gòu)酶。 葡萄糖存在時 cAMP缺少 S1不能啟動 S2啟動轉(zhuǎn)錄 半乳糖存在時 cAMP濃度升高 S1啟動轉(zhuǎn)錄 S2啟動受抑制 結(jié)果：在兩種不同的環(huán)境里都可以形成細胞壁物質(zhì)的前體 ? 阿拉伯糖 (arabinose) 是可作為碳源的五碳糖。 ? 參與阿拉伯糖代謝酶的基因分布于 不同 操縱子中，但由一個調(diào)節(jié)基因（ araC）的產(chǎn)物調(diào)控。 四）阿拉伯糖操縱子（ arabinose operon） 基因組成 結(jié)構(gòu)基因 ： araA、 araB和 araD 分別編碼 L－阿拉伯糖異構(gòu)酶、核酮糖激酶和L－核酮糖－ 5－磷酸－ 4－差向異構(gòu)酶。 調(diào)節(jié)基因 ： araC 操縱基因 ： O O2 基因 E、 F：負責轉(zhuǎn)運阿拉伯糖進入細胞 araC基因位于另一個操縱子中，它編碼的 araC蛋白是操縱子的調(diào)控因子。 araBAD和 araC