【文章內(nèi)容簡介】 分，一般的環(huán)境難以給細(xì)菌提供足夠的色氨酸，細(xì)菌要生存繁殖通常需要自己經(jīng)過許多步驟合成色氨酸，但是一旦環(huán)境能夠提供色氨酸時，細(xì)菌就會充分利用外界的色氨酸、減少或停止合成色氨酸，以減輕自己的負(fù)擔(dān)。細(xì)菌所以能做到這點(diǎn)是因?yàn)橛猩彼岵倏v元(trp operon)的調(diào)控。 ? 色氨酸操縱子負(fù)責(zé)色氨酸的生物合成，當(dāng)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(dá)，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(dǎo)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。 色氨酸操縱元的結(jié)構(gòu)與阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)控 ? 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 . ? trpE（和 /或 trpG） :編碼鄰氨基苯甲酸合成酶 ? trpD：編碼鄰氨基苯甲酸焦磷酸轉(zhuǎn)移酶 ? trpF：編碼鄰氨基苯甲酸異構(gòu)酶 ? trpB、 trpA:編碼色氨酸合成酶的 a和 β亞基 ? trpC：編碼吲哚甘油 3磷酶合成酶 ? trpE基因是第一個被翻譯的基因，還有 trpL(前導(dǎo)區(qū)）和 trpa（為弱化子區(qū)，不是 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(yuǎn)，在位于 trp基因簇較遠(yuǎn)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。 ? 合成色氨酸所需要酶類的基因 E、 D、 C、 B、 A等頭尾相接串連排列組成結(jié)構(gòu)基因群，受其上游的啟動子Ptrp和操縱子 o的調(diào)控，調(diào)控基因 trpR的位置遠(yuǎn)離 Po結(jié)構(gòu)基因群，在其自身的啟動子作用下，以組成性方式低水平表達(dá)分子量為 47000的調(diào)控蛋白 R。 R并沒有與 o結(jié)合的活性，當(dāng)環(huán)境能提供足夠濃度的色氨酸時， R與色氨酸結(jié)合后構(gòu)象變化而活化，就能夠與 o特異性親和結(jié)合，阻遏結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄，因此這是屬于一種負(fù)性調(diào)控的、可阻遏的操縱元 (repressible operon)，即這操縱元通常是開放轉(zhuǎn)錄的，當(dāng)有效應(yīng)物 (色氨酸為阻遏劑 )作用時，則阻遏關(guān)閉轉(zhuǎn)錄。細(xì)菌不少生物合成系統(tǒng)的操縱元都屬于這種類型，其調(diào)控可使細(xì)菌處在生存繁殖最經(jīng)濟(jì)最節(jié)省的狀態(tài)。 trp操縱子的阻遏系統(tǒng) ? trpR基因突變常引起 trp mRNA的永久型合成，該基因產(chǎn)物因此被稱為輔阻遏蛋白 (aporepressor)。除非培養(yǎng)基中有色氨酸，否則這個輔阻遏蛋白不會與操縱區(qū)結(jié)合。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。 ? 阻遏 操縱機(jī)制對色氨酸來說是一個一級開關(guān)，主管轉(zhuǎn)錄是否啟動，相當(dāng)于粗調(diào)開關(guān)。 trp操縱子中對應(yīng)于色氨酸生物合成的還有另一個系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)調(diào)控，指示已經(jīng)啟動的轉(zhuǎn)錄是否繼續(xù)下去。這個細(xì)微調(diào)控是通過轉(zhuǎn)錄達(dá)到第一個結(jié)構(gòu)基因之前的過早終止來實(shí)現(xiàn)的，由色氨酸的濃度來調(diào)節(jié)這種過早終止的頻率。 衰減子（弱化子）與前導(dǎo)肽 ? 實(shí)驗(yàn)觀察表明：當(dāng)色氨酸達(dá)到一定濃度，但還沒有高到能夠活化 R使其起阻遏作用的程度時，產(chǎn)生色氨酸合成酶類的量已經(jīng)明顯降低，而且產(chǎn)生的酶量與色氨酸濃度呈負(fù)相關(guān)。仔細(xì)研究發(fā)現(xiàn)這種調(diào)控現(xiàn)象與色氨酸操縱元特殊的結(jié)構(gòu)有關(guān)。 色氨酸操縱元中的衰減子結(jié)構(gòu)及其調(diào)控示意圖 ? 在色氨酸操縱元 Ptrpo與第一個結(jié)構(gòu)基因 trpE之間有162bp的一段先導(dǎo)序列 (L)。實(shí)驗(yàn)證明當(dāng)色氨酸達(dá)一定濃度時， RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄會終止在這里。這段序列中含有編碼由 14個氨基酸組成的短肽的開放讀框，其序列中有 2個色氨酸相連，在此開放讀框前有核糖體識別結(jié)合位點(diǎn) (RBS)序列，提示這段短開放讀框在轉(zhuǎn)錄后是能被翻譯的。在先導(dǎo)序列的后半段含有 3對反向重復(fù)序列 (圖中 A、B及 C)，在被轉(zhuǎn)錄生成 mRNA時都能夠形成發(fā)夾式結(jié)構(gòu)，但由于 B的序列分別與 A和 C重疊，所以如果 B形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)， A和 C都不能再形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)；相反，當(dāng) A形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)時， B就不能形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，卻有利于 C生成發(fā)夾結(jié)構(gòu)。 C后面緊跟一串 A(轉(zhuǎn)錄成 RNA就是一串 U)， C實(shí)際上是一個終止子，如果轉(zhuǎn)錄 mRNA時它形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，就能使 RNA聚合酶停止轉(zhuǎn)錄而從 mRNA上脫離下來。 三種不同情況下 A、 B、 C形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)的狀態(tài) 前導(dǎo)區(qū)序列特點(diǎn)與弱化作用 ? 在色氨酸未達(dá)到能起阻遏作用的濃度時，從 Ptrp起始轉(zhuǎn)錄， RNA聚合酶沿 DNA轉(zhuǎn)錄合成 mRNA，同時核糖體就結(jié)合到新生成的 mRNA核糖體結(jié)合位點(diǎn)上開始翻譯。當(dāng)色氨酸濃度低時，生成的 tRNAtrp 色氨酸量就少，能擴(kuò)散mRNA形成的翻譯復(fù)合體中供給合成短肽的幾率低，使核糖體沿 mRNA翻譯移動的速度慢，趕不上 RNA聚合酶沿 DNA移動轉(zhuǎn)錄的速度，這時核糖體占據(jù)短開放讀框的機(jī)會較多，使 A不能生成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，于是 B就形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，阻止了 C生成終止信號的結(jié)構(gòu)， RNA聚合酶得以沿DNA前進(jìn)，繼續(xù)去轉(zhuǎn)錄其后 trpE等基因， trp操縱元就處于開放狀態(tài)。當(dāng)色氨酸濃度增高時， tRNAtrp 色氨酸濃度隨之升高，核糖體沿 mRNA翻譯移動的速度加快，占據(jù)到B段的機(jī)會增加， B生成發(fā)夾結(jié)構(gòu)的機(jī)會減少， C形成終止結(jié)構(gòu)的機(jī)會增多， RNA聚合酶終止轉(zhuǎn)錄的的幾率增加，于是轉(zhuǎn)錄減弱。 ? 如果當(dāng)其他氨基酸短缺 (注意：短開放讀框編碼的 14肽中多數(shù)氨基酸能由環(huán)境充分供應(yīng)的機(jī)會是不多的 )或所有的氨基酸都不足時，核糖體翻譯移動的速度就更慢，甚至不能占據(jù) A的序列，結(jié)果有利于 A和 C發(fā)夾結(jié)構(gòu)的形成，于是 RNA聚合酶停止轉(zhuǎn)錄，等于告訴細(xì)菌：“整個氨基酸都不足，即使合成色氨酸也不能合成蛋白質(zhì)，不如不合成以節(jié)省能量”。 ? 由此可見，先導(dǎo)序列起到隨色氨酸濃度升高降低轉(zhuǎn)錄的作用，這段序列就稱為衰減子 attenuator)。在 trp操縱元中，對結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄阻遏蛋白的負(fù)調(diào)控起到粗調(diào)的作用，而衰減子起到細(xì)調(diào)的作用。細(xì)菌其他氨基酸合成系統(tǒng)的許多操縱元 (如組氨酸、蘇氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸等操縱元 )中也有類似的衰減子存在。 返回首頁 四、 其他操縱子的調(diào)控機(jī)制 ? 1． 半乳糖操縱子 ? 大腸桿菌半乳糖操縱子包括 3個結(jié)構(gòu)基因： 異構(gòu)酶 (galE)， 半乳糖 磷酸尿嘧啶核苷轉(zhuǎn)移酶 (galT)， 半乳糖激酶 (galk)。 這 3個酶的作用是使半乳糖變成葡萄糖 1磷酸。GalR與 galE、 T、 K及操縱區(qū) O等離得很遠(yuǎn)，而galR產(chǎn)物對 galO的作用與 lacIlacO的作用相同。 ? gal操縱子的特點(diǎn)： ① 它有兩個啟動子，其 mRNA可從兩個不同的起始點(diǎn)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。 ? 分析 gal操縱子 PO區(qū)的 DNA序列發(fā)現(xiàn)，該操縱子確實(shí)存在兩個相距僅 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(diǎn) 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(jìn)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(dāng)有 cAMPCAP時，轉(zhuǎn)錄從 S1開始，當(dāng)無cAMPCAP時，轉(zhuǎn)錄從 S2開始。 ? 半乳糖不僅可以作為唯一碳源供細(xì)胞生長，而且與之相關(guān)的物質(zhì) 尿苷二磷酸半乳糖（ UDPgal）是大腸桿菌細(xì)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)酶的作用由 UDP葡萄糖合成的，該酶是 galE基因的產(chǎn)物。生長過程中的所有時間里細(xì)胞必須能夠合成差向異構(gòu)酶?，F(xiàn)在設(shè)想只有 S1一個啟動子，那么由于這個啟動子的活性依賴于 cAMPCRP，當(dāng)培養(yǎng)基中有葡萄糖存在時就有能合成異構(gòu)酶。假如唯一的啟動子是 S2，那么，即使在葡萄糖存在的情況下，半乳糖也將使操縱子處于充分誘導(dǎo)狀態(tài)，這無疑是一種浪費(fèi)。無論從必要性或經(jīng)濟(jì)性考慮，都需要一個不依賴于 cAMPCAP的啟動子（ S1）對高水平合成進(jìn)行調(diào)節(jié)。 雙 啟動子的生理功能 阿拉伯糖操縱子 ? ara操縱子的結(jié)構(gòu) ? ? araBAD和 araC的轉(zhuǎn)錄是分別在 DNA的兩條鏈上反向進(jìn)行的 AraC蛋白的正、負(fù)調(diào)節(jié)作用 ? ● araC蛋白既是 ara操縱子的正調(diào)節(jié)蛋白又是負(fù)調(diào)節(jié)蛋白 ? ● 正調(diào)節(jié)作用需要 CAP的參與 啟動子與操縱子重疊 ? 當(dāng) cAMP低時： CAP結(jié)合位空，一個 C蛋白與 araO1和 araO2結(jié)合，將 DNA拉成一個環(huán)， BAD啟動子阻遏， C基因啟動子也阻遏。 ? 當(dāng) cAMP高時： cAMP 與 CAP結(jié)合， C蛋白放出 araO2結(jié)合部位， DNA不形成環(huán)，激活 RNA聚合酶， BAD啟動子啟動。 營養(yǎng)狀況對 ara操縱子活性的影響 ● 有葡萄糖時，不轉(zhuǎn)錄