【文章內(nèi)容簡介】 又可起負(fù)調(diào) 控作用。 組成 ：Ｒ： araC基因編碼調(diào)節(jié)蛋白 AraC蛋白； Ｏ： O1不參與調(diào)控； O2 ： AraC蛋白負(fù)調(diào) 控結(jié)合位點(diǎn)； Ｉ：調(diào)節(jié)位點(diǎn)， CAPcAmP復(fù)合物結(jié)合位點(diǎn)，AraC蛋白正調(diào)控結(jié)合位點(diǎn)。 ? 調(diào)控： ① . 誘導(dǎo)物阿拉伯糖和 cAMP同時存在： Ara與 AraC蛋白復(fù)合物結(jié)合在Ｉ位點(diǎn)， CAPcAmp復(fù)合物結(jié)合 I位點(diǎn)，基因轉(zhuǎn)錄開啟； ② . 在沒有誘導(dǎo)物阿拉伯糖和 cAMP時： AraC蛋白同時與 I和 O2結(jié)合， DNA構(gòu)型發(fā)生改變，形成一個緊密的環(huán)結(jié)構(gòu)，抑制表達(dá)。 ? 三、色氨酸操縱子的轉(zhuǎn)錄調(diào)控及衰減作用 1．色氨酸操縱子模型： 由雅各布（ Jacob F.）和莫諾（ Monod J.）提出，具有合成代謝途徑典型的操縱子模型。 操縱子：包括色氨酸合成有關(guān)的 5種酶的結(jié)構(gòu)基因； 大量色氨酸時：大腸桿菌 5種酶的轉(zhuǎn)錄同時受到抑制； 色氨酸不足時：這５種酶的基因開始轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)錄； 色氨酸：作為阻遏物而不是誘導(dǎo)物參與調(diào)控結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。 ∴ trp操縱子是一個典型的可阻遏操縱元模型(repressible operon)。 三、細(xì)菌的色氨酸代謝的調(diào)控 1953年， Monod和同事們發(fā)現(xiàn)了一個可抑制型操縱子（ repressible operon）。 WT 酶 tryptophan 合成 tryptophan 但當(dāng)培養(yǎng)基中有足夠量的色氨酸時，細(xì)菌不再產(chǎn)生合成色氨酸所需要的酶類。 野生型細(xì)菌能表達(dá)合成氨基酸和其它生物大分子的酶。 1. 色氨酸合成代謝的基因和酶類 與色氨酸合成相關(guān)的基因有 5個，編碼3個酶： trpA：色氨酸合成酶的 ?亞基 trpB：色氨酸合成酶的 ?亞基 trpC： 吲哚甘油磷酸合成酶 trpD： 鄰氨基苯甲酸合成酶組分 Ⅱ trpE： 鄰氨基苯甲酸合成酶組分 Ⅰ 2. 色氨酸合成的生化途徑 鄰氨基苯甲 酸合成酶 吲哚甘油 磷酸合成酶 色氨酸 合成酶 鄰氨基 苯甲酸 磷酸核糖基 鄰氨基苯甲酸 CDRP 吲哚甘 油 磷酸 色氨酸 分支酸 3. 色氨酸操縱子（ trp operon） attenuator：衰減子 4. 色氨酸操縱子的調(diào)節(jié)模型 Jacob和 Monod提出了一個與乳糖操縱子相似的模型，解釋色氨酸合成的抑制作用。 關(guān)鍵： 認(rèn)為存在一個在正常情況下無活性的阻遏物（ normally inactive repressor），單獨(dú)狀態(tài)下不能與 operator結(jié)合。 但它能與色氨酸結(jié)合后改變構(gòu)像，才能與 operator DNA結(jié)合，抑制轉(zhuǎn)錄。 ? 色氨酸操縱子模型結(jié)構(gòu)： 5種結(jié)構(gòu)基因： trpE、 D、 C、 B、 A； 調(diào)控結(jié)構(gòu)：啟動子、操縱子、前導(dǎo)序列、弱化子； 阻遏物 trpR基因：與 trp操縱子相距較遠(yuǎn)； ? ： ⑴ . 阻遏調(diào)控： trpR基因編碼無輔基阻遏物 與色氨酸結(jié)合 形成有活性的色氨酸阻遏物 與操作子結(jié)合 阻止轉(zhuǎn)錄； 色氨酸不足：阻遏物三維空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化 ，不能與操作子結(jié)合，操縱元開始轉(zhuǎn)錄； 色氨酸濃度升高：色氨酸與阻遏物結(jié)合，空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，可與操作子結(jié)合，阻止轉(zhuǎn)錄。 trp與 repressor結(jié)合后，使 repressor的結(jié)構(gòu)稍稍張開，能夠結(jié)合到 DNA的溝里。 動畫演示 Trp操縱 色氨酸操縱子 .avi子 5. 色氨酸操縱子的衰減（ attenuation）調(diào)節(jié) (1)Charles Yanofsky及其同事們的觀察 Yanofsky、 Bertrand等在分析 trp 操縱子轉(zhuǎn)錄的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)： 在有高濃度色氨酸的情況下，一般只轉(zhuǎn)錄一段 140bp短序列 mRNA（并非一點(diǎn)都不轉(zhuǎn)錄），在轉(zhuǎn)錄到結(jié)構(gòu)基因前被中止了 ——衰減。 在無色氨酸或低濃度色氨酸時，能一直轉(zhuǎn)錄出完整的 mRNA。 （ 2）衰減原理 在第一個結(jié)構(gòu)基因 trpE與操縱區(qū) trpO之間有一段 162bp的 DNA。 Yanofsky等提出一個衰減模型： 關(guān)鍵：前導(dǎo)序列 mRNA的二級結(jié)構(gòu)。 ① 前導(dǎo)序列（ leader sequence） trpL ② 莖環(huán)結(jié)構(gòu)（ hairpin structure） 前導(dǎo)序列的轉(zhuǎn)錄物內(nèi)部有 4個配對區(qū)，彼此都能配對 : 1區(qū) 2區(qū)配對、 3區(qū) 4區(qū)配對，能形成兩個莖環(huán)結(jié)構(gòu)。 第二個莖環(huán)后緊接寡聚 U，類似于轉(zhuǎn)錄終止信號。 34區(qū)配對形成類似與內(nèi)終止子的結(jié)構(gòu)。 如果 2區(qū)和 3區(qū)配對，兩個莖環(huán)變換成另外一個莖環(huán)結(jié)構(gòu)。第二個莖環(huán)不能形成，不再成為轉(zhuǎn)錄終止信號。 ③ 莖環(huán)變換 前導(dǎo)順序的 +50~60bp有 2個連續(xù)的色氨酸密碼子（ UGGUGG）。 ④ 連續(xù)的色氨酸密碼和終止密碼 下游 +70處有一個終止密碼 UAG。 GGU UGG UGG CGC ACU UCC UGA AA 50 60 70 Trp stop 1區(qū) 核糖體占據(jù)空間包含了 1區(qū) 當(dāng)細(xì)胞中色氨酸水平很低時 由于缺乏 trptRNAtrp，核糖體會在色氨酸密碼處此延滯（ stalling）。 核糖體占據(jù)了第一個莖環(huán)，在 4區(qū)轉(zhuǎn)錄前，2區(qū)與 3區(qū)就已經(jīng)配對，形成一個莖環(huán)。轉(zhuǎn)錄出的 4區(qū)呈單鏈狀態(tài)，下游的結(jié)構(gòu)基因得以轉(zhuǎn)錄。 細(xì)菌核糖體能占據(jù) 3035nt mRNA。 當(dāng)色氨酸充足時： 后一個莖環(huán)的結(jié)構(gòu)起到轉(zhuǎn)錄終止信號作用，轉(zhuǎn)錄提前終止 —— 衰減。 核糖體順利通過色氨酸密碼，但停在 1區(qū)和 2區(qū)之間的終止密碼 UAG上，占據(jù)了 1區(qū)和 2區(qū)的部分區(qū)域， 3區(qū)與 4區(qū)配對，能形成后一個莖環(huán)。 色氨酸在 。 衰減只能允許 10%的 RNA pol繼續(xù)前進(jìn)。 動畫演示 色氨酸操縱子的衰減作用 三、其他操縱子的衰減現(xiàn)象性 蘇氨酸（ threonine）、組氨酸（ histidine）、亮氨酸（ leucine）、苯丙氨酸（ phenylalannine）操縱子都有類似的 leader sequence作衰減控制區(qū)域。 由于需要核糖體同時配合，衰減調(diào)控只有在原核細(xì)胞中才能發(fā)生。但也是個普遍現(xiàn)象。 ? ⑵ . 弱化子調(diào)控： 當(dāng)有色氨酸存在而 trp操縱子受抑制時，仍有一段前導(dǎo)序列發(fā)生轉(zhuǎn)錄，可能存在另一種的機(jī)制來抑制trp操縱元的轉(zhuǎn)錄。 色氨酸高濃度存在時，轉(zhuǎn)錄的前導(dǎo)序列 140bp長，其中有一 28bp的弱化子區(qū)域；形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，為內(nèi)部終止子， RNA酶從 DNA上脫落，不能轉(zhuǎn)錄； 色氨酸低濃度或不存在時， RNA聚合酶能通過弱化子區(qū)域，轉(zhuǎn)錄完整的多順反子 mRNA序列； ? 問題：弱化子如何進(jìn)行調(diào)控 ？ ? 前導(dǎo)序列可翻譯出一段 14個氨基酸的短肽 ， 在該短肽的第 11位置上是兩個色氨酸密碼子；兩個密碼子之后是一段 mRNA序列 ， 該序列可分為四個區(qū)段 ，區(qū)段間可互補(bǔ)配對 ， 形成不同的二級結(jié)構(gòu) 。 ? 原核生物為邊轉(zhuǎn)錄邊翻譯，前導(dǎo)序列中核糖體位置決定形成哪種二級結(jié)構(gòu) ,從而決定弱化子是否可形成終止信號。 ? ① . 當(dāng)有色氨酸時，完整翻譯短肽 核糖體停留在終止密碼子處，鄰近區(qū)段 2位置 阻礙了 2,3配對 使 3, 4區(qū)段配對 形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)終止子 RNA酶在弱化子處終止，不能向前移動。 ? ② .如缺乏色氨酸，核糖體到達(dá)色氨酸密碼子時 由于沒有色氨酰 tRNA的供應(yīng) 停留在該密碼子位置，位于區(qū)段1 使區(qū)段 2與區(qū)段 3配對 區(qū)段 4無對應(yīng)序列配對呈單鏈狀態(tài) RNA聚合酶通過弱化子，繼續(xù)向前移動，轉(zhuǎn)錄出完整的多順反子序列。 ? 衰減作用的生物學(xué)意義 從衰減機(jī)制的分析來看，它不僅能夠把幾種水平如DNA和 RNA的構(gòu)象變化、 mRNA上內(nèi)部終止 (衰減 )子的重建以及核糖體上 tRNA對終止密碼的識別等統(tǒng)一起來，嚴(yán)格控制表達(dá)，而且衰減子還可依細(xì)胞內(nèi)某一氨基酸水平的高低而行止。所以它是一種應(yīng)答靈敏、調(diào)節(jié)靈活的多重調(diào)控方式。 就像在色氨酸操縱子中，阻遏作用與衰減機(jī)制一起協(xié)同控制其基因表達(dá)，顯然比單一的阻遏負(fù)調(diào)控系統(tǒng)更為有效。 一方面 ，當(dāng)有活性的阻遏物向無活性阻遏物的轉(zhuǎn)變速度極低時．衰減系統(tǒng)能更迅速地作出反應(yīng)，使色氨酸從較高濃度快速下降到中等濃度； 另一方面 ，若外源色氨酸濃度實(shí)在太低，細(xì)菌本身又沒有其他的內(nèi)源性色氨酸合成體系， 以致細(xì)菌難以支持自身的生長時，就需要有衰減體系加以調(diào)節(jié) —— 通過不終止 mRNA的合成來增加 Trp酶的合成從而提高內(nèi)源色氨酸的濃度。 可見：衰減機(jī)制在控制基因產(chǎn)物的量和產(chǎn)物種類的配比上起著快速靈敏的調(diào)節(jié)作用，使操縱基因表達(dá)更為精密、高效。 一 、 λ噬菌體的基因組及早 、 晚期轉(zhuǎn)錄 一）． 裂解的級聯(lián)調(diào)節(jié) λ噬菌體長 48502nt 共 61個基因，其中 32個較為重要 溶原化周期 (LYSOGENIC ) 裂解周期 (LYTIC) ?第四節(jié) λ 噬菌體基因組的表達(dá)調(diào)控 ?噬菌體的早，晚期轉(zhuǎn)錄 R3 R 2 R 5 R 1 R4 P R O R c r o n u t R t R1 c Ⅱ OP t R2 Q t R 3 P R ’ q n t t R4 S R A W a t t i n t P i x i s c Ⅲ t L1 N n u t L P L O L c Ⅰ P RM P RE P AQ L 1 L2 圖 17 λ 噬菌體的啟動子和不同時期的轉(zhuǎn)錄 裂解周期的啟動子 PL PR PR ’ 頭部基因 尾部基因 重組區(qū) 調(diào)控區(qū) 復(fù)制區(qū) 裂解基因 A W B CNu 3 D E FⅠFⅡZ U V G T H M LK IJ att i n t x i s αβγ c Ⅲ N c Ⅰ c r o c Ⅱ O P Q S R 下列行為所需： 溶原化 c Ⅲ 維持 c Ⅱ 溶原化和裂解 N 打開晚期基因 溶原化 c Ⅰ 是裂解的阻遏物 裂解 c r o 關(guān)閉阻遏物 溶原化 c Ⅱ 打開阻遏物基因 裂解 Q 打開晚期基因 圖 1 7 3 λ 噬菌體相關(guān)功能的基因蔟及在兩種途徑選擇中的作用 ( 仿 B. L e w i n : 《 G E N E S 》Ⅵ , 1 9 9 7 , Fi g . 1 3 . 8 ) λ 噬菌體線狀 DNA 注入細(xì)菌 裂解途徑 a t t