生物化學與分子生物學/色氨酸操縱元

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生物化學與分子生物學

基因表達調(diào)控
- 原核基因表達調(diào)控
  - 操縱元的提出
  - 操縱元(operon)的基本組成
  - 乳糖操縱元的表達調(diào)控
  - 色氨酸操縱元

色氨酸是構(gòu)成蛋白質(zhì)的組分，一般的環(huán)境難以給細菌提供足夠的色氨酸，細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，以減輕自己的負擔。細菌所以能做到這點是因為有色氨酸操縱元(trp operon)的調(diào)控。

(一)色氨酸操縱元的結(jié)構(gòu)與阻遏蛋白的負性調(diào)控

如圖19-10所示，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的位置遠離P-o-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)控可使細菌處在生存繁殖最經(jīng)濟最節(jié)省的狀態(tài)。

色氨酸操縱元的結(jié)構(gòu)和調(diào)控示意圖

圖19-10　色氨酸操縱元的結(jié)構(gòu)和調(diào)控示意圖

(二)衰減子及其作用

實驗觀察表明：當色氨酸達到一定濃度，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相關(guān)。仔細研究發(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

圖19-11　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Ptrp-o與第一個結(jié)構(gòu)基因trpE之間有162bp的一段先導序列(leadingsequence,L)實驗證明當色氨酸達一定濃度時，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(RBS)序列，提示這段短開放讀框在轉(zhuǎn)錄后是能被翻譯的。在先導序列的后半段含有3對反向重復(fù)序列(圖19?1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)

圖19-12　三種不同情況下A、B、C形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)的狀態(tài)

在色氨酸未達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)合位點上開始翻譯。當色氨酸濃度低時，生成的tRNAtrp色氨酸量就少，能擴散到核糖體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，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段的機會增加，B生成發(fā)夾結(jié)構(gòu)的機會減少，C形成終止結(jié)構(gòu)的機會增多，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)錄阻遏蛋白的負調(diào)控起到粗調(diào)的作用，而衰減子起到細調(diào)的作用。細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。