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4-1-4 色氨酸操纵元

来源:医学加加
摘要:色氨酸操纵元的结构与阻遏蛋白的负性调控衰减子及其作用色氨酸是构成蛋白质的组分,一般的环境难以给细菌提供足够的色氨酸,细菌要生存繁殖通常需要自己经过许多步骤合成色氨酸,但是一旦环境能够提供色氨酸时,细菌就会充分利用外界的色氨酸、减少或停止合成色氨酸,以减轻自己的负担。细菌所以能做到这点是因为有色氨......

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  色氨酸是构成蛋白质的组分,一般的环境难以给细菌提供足够的色氨酸,细菌要生存繁殖通常需要自己经过许多步骤合成色氨酸,但是一旦环境能够提供色氨酸时,细菌就会充分利用外界的色氨酸、减少或停止合成色氨酸,以减轻自己的负担。细菌所以能做到这点是因为有色氨酸操纵元(trp operon)的调控。

  色氨酸操纵元的结构与阻遏蛋白的负性调控

  如图7-10所示,合成色氨酸所需要酶类的基因E、D、C、B、A等头尾相接串连排列组成结构基因群,受其上游的启动子Ptrp和操纵子的调控,调控基因trpR的位置远离P-o-结构基因群,在其自身的启动子作用下,以组成性方式低水平表达其编码分子量为47000的调控蛋白R,R并没有与结合的活性,当环境能提供足够浓度的色氨酸时,R与色氨酸结合后构象变化而活化,就能够与特异性亲和结合,阻遏结构基因的转录。因此这是属于一种负性调控的、可阻遏的操纵元(repressible operon),即这操纵元通常是开放转录的,有效应物(色氨酸为阻遏剂)作用时则阻遏关闭转录。细菌不少生物合成系统的操纵元都属于这种类型,其调控可使细菌处在生存繁殖最经济最节省的状态。

  衰减子及其作用

  实验观察表明:当色氨酸达到一定浓度、但还没有高到能够活化R使其起阻遏作用的程度时,产生色氨酸合成酶类的量已经明显降低,而且产生的酶量与色氨酸浓度呈负相关。仔细研究发现这种调控现象与色氨酸操纵元特殊的结构有关。

  在色氨酸操纵元Ptrp-o与第一个结构基因trpE之间有162bp的一段先导序列(leading sequence,L),实验证明当色氨酸有一定浓度时,RNA聚合酶的转录会终止在这里。这段序列中含有编码由14个氨基酸组成的短肽的开放读框,其序列中有2个色氨酸相连,在此开放读框前有核糖体识别结合位点(RBS)序列,提示这段短开放读框在转录后是能被翻译的。在先导序列的后半段含有3对反向重复序列(图7-11中A、B及C),在被转录生成mRNA时都能够形成发夹式结构,但由于B的序列分别与A和C重叠,所以如果B形成发夹结构,A和C都不能再形成发夹结构;相反,当A形成发夹结构时,B就不能形成发夹结构,却有利于C生成发夹结构。C后面紧跟一串A(转录成RNA就是一串U),C实际上是一个终止子,如果转录成mRNA时它形成发夹结构,就能时RNA聚合酶停止转录而从mRNA上脱离下来。

  在色氨酸浓度未达到能起阻遏作用时,从Ptrp起始转录,RNA聚合酶沿DNA转录合成mRNA同时,核糖体就结合到新生成的mRNA核糖体结合位点上开始翻译。当色氨酸浓度低时,生成的tRNAtrp-色氨酸量就少,能扩散到核糖体-mRNA形成的翻译复合体中供给合成短肽的几率低,使核糖体沿mRNA翻译移动的速度慢,赶不上RNA聚合酶沿DNA移动转录的速度,这时核糖体占据短开放读框的机会较多,使A不能生成发夹结构,于是B就形成发夹结构,阻止了C生成终止信号的结构,RNA聚合酶得以沿DNA前进,继续去转录其后trpE等基因,trp操纵元就处于开放状态。当色氨酸浓度增高时,tRNAtrp-色氨酸浓度随之升高,核糖体沿mRNA翻译移动的速度加快,占据到B段的机会增加,B生成发夹结构的机会减少,C形成终止结构的机会增多,RNA聚合酶终止转录的几率增加,于是转录减弱。如果当其他氨基酸短缺(注意:短开放读框编码的14肽中多数氨基酸能由环境充分供应的机会是不多的)或所有的氨基酸都不足时,核糖体翻译移动的速度就更慢,甚至不能占据A的序列,结果有利于A和C发夹结构的形成,于是RNA聚合酶停止转录,等于告诉细菌:“整个氨基酸都不足,即使合成色氨酸也不能合成蛋白质,不如不合成以节省能量”。

图7-12 三种不同情况下A、B、C形成发夹结构的状态

  由此可见,先导序列起到随色氨酸浓度升高降低转录的作用,这段序列就称为衰减子(attenuator)。在trp操纵元中,对结构基因的转录阻遏蛋白的负调控起到粗调的作用,而衰减子起到细调的作用。细菌其他氨基酸合成系统的许多操纵元(如组氨酸、苏氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸等操纵元)中也有类似的衰减子存在。

作者: 2007-9-25
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