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

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

色氨酸是構成蛋白質的組分，一般的環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過許多步驟合成色氨酸，但是一旦環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)的調控。

(一)色氨酸操縱元的結構與阻遏蛋白的負性調控

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構基因群，受其上游的啟動子Ptrp和操縱子o的調控，調控基因trpR的位置遠離P-o-結構基因群，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的調控蛋白R。R并沒有與o結合的活性，當環境能提供足夠濃度的色氨酸時，R與色氨酸結合后構象變化而活化，就能夠與o特異性親和結合，阻遏結構基因的轉錄，因此這是屬于一種負性調控的、可阻遏的操縱元(repressible operon)，即這操縱元通常是開放轉錄的，當有效應物(色氨酸為阻遏劑)作用時，則阻遏關閉轉錄。細菌不少生物合成系統的操縱元都屬于這種類型，其調控可使細菌處在生存繁殖最經濟最節省的狀態。

色氨酸操縱元的結構和調控示意圖

圖19-10　色氨酸操縱元的結構和調控示意圖

(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，產生色氨酸合成酶類的量已經明顯降低，而且產生的酶量與色氨酸濃度呈負相關。仔細研究發現這種調控現象與色氨酸操縱元特殊的結構有關。

色氨酸操縱元中的衰減子結構及其調控示意圖

圖19-11　色氨酸操縱元中的衰減子結構及其調控示意圖

在色氨酸操縱元Ptrp-o與第一個結構基因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合位點(RBS)序列，提示這段短開放讀框在轉錄后是能被翻譯的。在先導序列的后半段含有3對反向重復序列(圖19?1中A、B及C)，在被轉錄生成mRNA時都能夠形成發夾式結構，但由于B的序列分別與A和C重疊，所以如果B形成發夾結構，A和C都不能再形成發夾結構；相反，當A形成發夾結構時，B就不能形成發夾結構，卻有利于C生成發夾結構。C后面緊跟一串A(轉錄成RNA就是一串U)，C實際上是一個終止子，如果轉錄mRNA時它形成發夾結構，就能使RNA聚合酶停止轉錄而從mRNA上脫離下來。

三種不同情況下A、B、C形成發夾結構的狀態

圖19-12　三種不同情況下A、B、C形成發夾結構的狀態

在色氨酸未達到能起阻遏作用的濃度時，從Ptrp起始轉錄，RNA聚合酶沿DNA轉錄合成mRNA，同時核糖體就結合到新生成的mRNA核糖體結合位點上開始翻譯。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移動轉錄的速度，這時核糖體占據短開放讀框的機會較多，使A不能生成發夾結構，于是B就形成發夾結構，阻止了C生成終止信號的結構，RNA聚合酶得以沿DNA前進，繼續去轉錄其后trpE等基因，trp操縱元就處于開放狀態。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，占據到B段的機會增加，B生成發夾結構的機會減少，C形成終止結構的機會增多，RNA聚合酶終止轉錄的的幾率增加，于是轉錄減弱。如果當其他氨基酸短缺(注意：短開放讀框編碼的14肽中多數氨基酸能由環境充分供應的機會是不多的)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A的序列，結果有利于A和C發夾結構的形成，于是RNA聚合酶停止轉錄，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，不如不合成以節省能量”。

由此可見，先導序列起到隨色氨酸濃度升高降低轉錄的作用，這段序列就稱為衰減子attenuator)。在trp操縱元中，對結構基因的轉錄阻遏蛋白的負調控起到粗調的作用，而衰減子起到細調的作用。細菌其他氨基酸合成系統的許多操縱元(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。