第十章 原核生物的基因表達(dá)調(diào)控

第10章原核生物的基因表達(dá)調(diào)控10.1原核基因表達(dá)調(diào)控概述10.2操縱子學(xué)說(shuō)10.3乳糖操縱子10.4色氨酸操縱子10.5阿拉伯糖操縱子10.6組氨酸操縱子10.7正調(diào)控系統(tǒng)和負(fù)調(diào)控系統(tǒng)10.1原核生物基因表達(dá)調(diào)控概述基因表達(dá)調(diào)控是生物體內(nèi)基因表達(dá)的調(diào)節(jié)控制機(jī)制，是細(xì)胞中基因表達(dá)的過(guò)程在時(shí)間、空間上處于有序狀態(tài)，并對(duì)環(huán)境條件的變化作出適當(dāng)反應(yīng)的復(fù)雜過(guò)程?；虮磉_(dá)的調(diào)控可在多個(gè)層次上進(jìn)行，包括DNA(基因)水平、轉(zhuǎn)錄水平、轉(zhuǎn)錄后水平、翻譯水平和翻譯后加工水平的調(diào)控?；虮磉_(dá)調(diào)控是生物體內(nèi)細(xì)胞分化、形態(tài)發(fā)生和個(gè)體發(fā)育的分子基礎(chǔ)。10.1.1基因表達(dá)調(diào)控的意義根據(jù)生物體的復(fù)雜程度，每個(gè)細(xì)胞中的DNA分子可以攜帶幾千到幾萬(wàn)個(gè)基因不等。例如大腸桿菌是單細(xì)胞生物，它的全基因組序列長(zhǎng)4×106bp，假定一個(gè)基因約為l03bp,則一個(gè)大腸桿菌就有約4000個(gè)基因,至少能編碼3000多個(gè)蛋白質(zhì).低等的真核生物如釀酒酵母，基因組序列長(zhǎng)為1.3×107bp，攜帶大約5800個(gè)基因，至少編碼5000多種蛋白質(zhì)；更復(fù)雜的多細(xì)胞真核生物(如人類)，基因組長(zhǎng)度約為3×109bp，至少應(yīng)編碼幾萬(wàn)種蛋白質(zhì)。但在對(duì)大腸桿菌各種蛋白質(zhì)的相對(duì)細(xì)胞含量分析表明，在每個(gè)細(xì)胞中有些蛋白質(zhì)分子的數(shù)量不到10個(gè)分子，而另一些蛋白質(zhì)卻多達(dá)5×105個(gè)分子，相差近5萬(wàn)倍；

說(shuō)明在生物體生命活動(dòng)中并不是所有的基因都同時(shí)表達(dá)；代謝過(guò)程中所需要的各種酶和蛋白質(zhì)基因以及構(gòu)成細(xì)胞化學(xué)成分的各種編碼基因，正常情況下是經(jīng)常表達(dá)的；

而與生物發(fā)育過(guò)程有關(guān)的基因則要在特定的時(shí)空才表達(dá)；還有許多基因被暫時(shí)的或永久的關(guān)閉而不表達(dá)，只在合適的時(shí)期才表達(dá)。即使細(xì)胞攜帶著基本相同的基因，但同一有機(jī)體各個(gè)細(xì)胞的形態(tài)和功能都不一樣，基因表達(dá)的水平也不盡相同。正是因?yàn)樯矬w能夠根據(jù)其本身固有的遺傳信息表達(dá)與調(diào)控，以及對(duì)環(huán)境的適應(yīng)，才產(chǎn)生了各種特異功能的蛋白質(zhì)分子來(lái)體現(xiàn)生命現(xiàn)象和執(zhí)行生物功能，使得從低等到高等的生物界呈現(xiàn)出五彩繽紛的生命現(xiàn)象。10.1.2原核基因表達(dá)調(diào)控的特點(diǎn)與方式

原核生物基因的表達(dá)調(diào)控存在于轉(zhuǎn)錄和翻譯的每一步驟中。這種調(diào)控多以操縱子為單位進(jìn)行，將功能相關(guān)的基因組織在一起，同時(shí)開(kāi)啟或關(guān)閉基因表達(dá)，既經(jīng)濟(jì)有效，又保證其生命活動(dòng)的需要。

細(xì)胞要控制各種蛋白質(zhì)在不同時(shí)期的表達(dá)水平，有兩條途徑：

第一條途徑是細(xì)胞控制從其DNA模板上轉(zhuǎn)錄特異的mRNA的速度，這是生物在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中自然選擇的結(jié)果。這種控制稱為轉(zhuǎn)錄水平(transcriptionallevel)的調(diào)控。大多數(shù)基因表達(dá)都屬于轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控。第二條途徑是在mRNA合成后，控制從mRNA翻譯成多肽鏈的速度。這種蛋白質(zhì)合成及基因表達(dá)的控制稱為翻譯水平(trans1a-tionallevel)的調(diào)控。10.1.3原核基因表達(dá)調(diào)控的幾個(gè)重要概念1、細(xì)菌細(xì)胞對(duì)營(yíng)養(yǎng)的適應(yīng)2．順式作用組件和反式作用因子3．結(jié)構(gòu)基因和調(diào)節(jié)基因4．操縱基因和阻遏蛋白5．組成蛋白和調(diào)節(jié)蛋白

生長(zhǎng)在以葡萄糖為惟一碳源的細(xì)菌中的酶類至少有600～800種；1、細(xì)菌細(xì)胞對(duì)營(yíng)養(yǎng)的適應(yīng)降解葡萄糖第一步的酶、產(chǎn)生ATP所需要的酶、與合成氨基酸與核苷酸有關(guān)的酶、用以構(gòu)建細(xì)胞壁、細(xì)胞膜以及核糖體的各種結(jié)構(gòu)蛋白等的酶，都以相當(dāng)大的數(shù)量存在。制造輔酶的酶類等物質(zhì)則只是微量存在。

在對(duì)E.coli細(xì)胞中稀有的和豐富的蛋白質(zhì)的拷貝數(shù)研究中，對(duì)β-半乳糖苷酶的研究最詳盡。β-半乳糖苷酶能將乳糖分解為葡萄糖和半乳糖。它是相對(duì)分子質(zhì)量為460000的四聚體蛋白。由于乳糖不能用作碳源和能源，必須先被分解成簡(jiǎn)單的葡萄糖和半乳糖。

生長(zhǎng)在以乳糖為惟一碳源的E.coli中通常含有3000個(gè)β-半乳糖苷酶分子，占其總蛋白的1.5％，是調(diào)節(jié)酶中所能合成的最大數(shù)量。其他豐富的蛋白質(zhì)包括核糖體蛋白約53種，占總蛋白的20%。E.coli中含量最豐富的是蛋白質(zhì)合成的延長(zhǎng)因子EF-Tu，每個(gè)細(xì)胞中存在105個(gè)分子左右。2．順式作用組件和反式作用因子

基因活性的調(diào)節(jié)主要通過(guò)順式作用組件與反式作用因子的相互作用而實(shí)現(xiàn)。

反式作用因子：是指遠(yuǎn)離受影響的基因之外的基因所編碼的產(chǎn)物，又稱為轉(zhuǎn)錄因子。它有非特異性和特異性之分。

順式作用組件（因子）：是指對(duì)基因表達(dá)有調(diào)節(jié)活性的DNA序列，如啟動(dòng)子、增強(qiáng)子等。其活性只影響與其自身同處在一個(gè)DNA分子上的基因。這種DNA序列通常不編碼蛋白質(zhì)，多位于基因旁側(cè)或內(nèi)含子中。位于轉(zhuǎn)錄單位開(kāi)始和結(jié)束位置上的啟動(dòng)子和終止子等，都屬于順式作用元件。3．結(jié)構(gòu)基因和調(diào)節(jié)基因

結(jié)構(gòu)基因(structuralgene)是編碼蛋白質(zhì)或RNA的基因。結(jié)構(gòu)基因編碼大量功能各異的蛋白質(zhì)，其中有組成細(xì)胞和組織器官基本成分的結(jié)構(gòu)蛋白、有催化活性的酶和各種調(diào)節(jié)蛋白等。細(xì)菌的結(jié)構(gòu)基因一般成簇排列，多個(gè)結(jié)構(gòu)基因受單一啟動(dòng)子共同控制，使整套基因或都表達(dá)或者都不表達(dá)。

調(diào)節(jié)基因(regulatorgene)是編碼合成那些參與基因表達(dá)調(diào)控的RNA和蛋白質(zhì)的特異DNA序列。調(diào)節(jié)基因編碼的調(diào)節(jié)物(蛋白)通過(guò)與DNA上的特定位點(diǎn)結(jié)合控制轉(zhuǎn)錄是調(diào)控的關(guān)鍵。4．操縱基因和阻遏蛋白操縱基因(operator)是操縱子中的控制基因，在操縱子上一般與啟動(dòng)子相鄰，通常處于開(kāi)放狀態(tài)，使RNA聚合酶通過(guò)并作用于啟動(dòng)子啟動(dòng)的轉(zhuǎn)錄。但當(dāng)它與調(diào)節(jié)基因所編碼的阻遏蛋白結(jié)合時(shí)，就從開(kāi)放狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)閉狀態(tài)，使轉(zhuǎn)錄過(guò)程不能發(fā)生。5．組成蛋白和調(diào)節(jié)蛋白細(xì)胞內(nèi)有許多種蛋白質(zhì)的含量幾乎不受外界環(huán)境的影響，這些蛋白質(zhì)稱為組成蛋白。例如大腸桿菌中的組成蛋白，它們的合成速度是遺傳上規(guī)定的，主要有以下幾個(gè)方面的影響：(1)啟動(dòng)子的天然效率；(2)核糖體閱讀信使的速度；(3)mRNA的穩(wěn)定性。調(diào)節(jié)蛋白是一類特殊的蛋白質(zhì)，是調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物，它們可以影響一種或多種基因的表達(dá)。有兩種類型的調(diào)節(jié)蛋白，即起正調(diào)節(jié)作用的激活蛋白（物）和起負(fù)調(diào)節(jié)作用的阻遏蛋白（物）。10.2操縱子學(xué)說(shuō)(theoryofoperon)

在細(xì)菌基因組中，編碼功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)蛋白的基因通常成簇排列在一起。例如，同一個(gè)代謝途徑的酶的基因一般成簇排列。

操縱子學(xué)說(shuō)是關(guān)于原核生物基因結(jié)構(gòu)及其表達(dá)調(diào)控的學(xué)說(shuō)。操縱子：是原核生物DNA上的一段區(qū)域，它包括共轉(zhuǎn)錄到一條mRNA上的多個(gè)結(jié)構(gòu)基因和這些基因轉(zhuǎn)錄所需的順式作用序列，這些序列包括啟動(dòng)子、操縱基因和轉(zhuǎn)錄調(diào)控有關(guān)的序列。通過(guò)調(diào)節(jié)基因編碼的調(diào)節(jié)蛋白或與誘導(dǎo)物、輔阻遏物協(xié)同作用，開(kāi)啟或關(guān)閉操縱基因，對(duì)操縱子結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)進(jìn)行正、負(fù)控制。10.3乳糖操縱子10.3.1乳糖操縱子的調(diào)節(jié)機(jī)制10.3.2小分子效應(yīng)物的作用10.3.3降解物對(duì)基因活性的調(diào)節(jié)10.3.4阻遏蛋白的作用機(jī)制

10.3.1乳糖操縱子的調(diào)節(jié)機(jī)制大腸桿菌的乳糖操縱子(1actoseoperon，lac)長(zhǎng)約5000個(gè)堿基對(duì)，是目前對(duì)操縱子研究最詳盡的例子，也是研究轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控規(guī)律的基本模式。

大腸桿菌乳糖操縱子有3個(gè)結(jié)構(gòu)基因，可編碼3種酶。分別為β-半乳糖苷酶基因(lacZ)，功能是將乳糖水解為葡萄糖和半乳糖;β-半乳糖苷透性酶基因(lacY)，能促進(jìn)β-半乳糖苷進(jìn)入細(xì)胞；β-半乳糖苷轉(zhuǎn)乙?；富?lacA)，催化將乙?；鶊F(tuán)從乙酰輔酶A轉(zhuǎn)移到β-半乳糖苷分子上。這三個(gè)有關(guān)分解代謝的酶的基因在乳糖操縱子中成簇排列，以利于上游調(diào)控元件的調(diào)控(見(jiàn)圖)。POP(蛋白)

大腸桿菌在有葡萄糖作為碳源的培養(yǎng)基中生長(zhǎng)時(shí)，不能代謝乳糖，因?yàn)槿鄙偃樘谴x的酶。當(dāng)生長(zhǎng)在沒(méi)有葡萄糖只有乳糖的培養(yǎng)基中時(shí)，代謝乳糖的酶量從幾個(gè)分子迅速增加近千倍。即細(xì)菌在短時(shí)間內(nèi)合成了能夠利用乳糖的一系列酶，具備了利用乳糖作為碳源的能力，在這種培養(yǎng)基上生存了下來(lái)。

細(xì)菌獲得這一能力的原因是在乳糖的誘導(dǎo)作用下開(kāi)啟了乳糖操縱子，表達(dá)了與代謝乳糖相關(guān)的一系列酶所致。象乳糖這樣一類加入培養(yǎng)基中能專一性地增加某些酶數(shù)量的物質(zhì)稱為誘導(dǎo)物(indu-cer)，這種酶稱為誘導(dǎo)酶(inducibleenzyme)。稱這類基因?yàn)榭烧T導(dǎo)基因，這種代謝過(guò)程作為酶的誘導(dǎo)過(guò)程。乳糖操縱子調(diào)控機(jī)制是：當(dāng)培養(yǎng)基中沒(méi)有乳糖時(shí)，存在于操縱子上游的調(diào)節(jié)基因編碼表達(dá)的阻遏蛋白結(jié)合到操縱子中的操縱基因上，阻止了結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)(即lacO基因被調(diào)節(jié)基因編碼表達(dá)的阻遏蛋白所阻遏)。此時(shí)，在細(xì)胞中只有幾個(gè)β-半乳糖苷酶分子。當(dāng)培養(yǎng)基中存在乳糖時(shí)，由于誘導(dǎo)物分子結(jié)合在阻遏蛋白的特異部位，引起阻遏蛋白構(gòu)象改變，不能結(jié)合到操縱基因上，使RNA聚合酶能夠正常通過(guò)操縱子到達(dá)結(jié)構(gòu)基因，即操縱子被誘導(dǎo)表達(dá)，β-半乳糖苷酶分子數(shù)量迅速增加。在這個(gè)系統(tǒng)中的誘導(dǎo)物分子不是乳糖本身，而是乳糖的同分異構(gòu)體—-異乳糖，因?yàn)槿樘沁M(jìn)入大腸桿菌細(xì)胞后被轉(zhuǎn)化成了異乳糖。異乳糖

乳糖葡萄糖+半乳糖

β-半乳糖苷酶

由下圖可以看出，lacZYA基因的轉(zhuǎn)錄受lacI基因編碼合成的調(diào)控蛋白（阻遏蛋白）的控制。LacI的表達(dá)產(chǎn)物是乳糖操縱子的阻遏蛋白，它的功能是阻止結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)，通過(guò)與lacZYA基因簇開(kāi)始處的操縱基因結(jié)合發(fā)揮作用。

在阻遏蛋白上有二個(gè)結(jié)合位點(diǎn):一個(gè)是操縱基因結(jié)合位點(diǎn);另一個(gè)是誘導(dǎo)物結(jié)合位點(diǎn)。當(dāng)誘導(dǎo)物與其結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合后，改變了阻遏蛋白的構(gòu)型，從而影響與操縱基因結(jié)合的活性。阻遏蛋白(物)阻遏蛋白(物)

lacI基因與其后的結(jié)構(gòu)基因雖然相鄰，但它們屬于不同的轉(zhuǎn)錄單位，它有其自身的啟動(dòng)子和終止序列，能獨(dú)立地進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，形成單順?lè)醋觤RNA,轉(zhuǎn)錄的速度受lacI基因的啟動(dòng)子與RNA聚合酶活力大小的控制。lacI編碼可擴(kuò)散的表達(dá)產(chǎn)物，屬于反式作用調(diào)節(jié)因子。

實(shí)驗(yàn)室里常用含硫的乳糖類似物丙基硫代-β-D-半乳糖苷(impropylthio-β-D-galac-toside，IPTG)代替乳糖來(lái)研究誘導(dǎo)作用。這種能誘導(dǎo)酶基因的表達(dá)但不是半乳糖苷酶底物的分子稱為義務(wù)誘導(dǎo)物(gra-tuitousinducer)。

以上所述的調(diào)節(jié)是一種協(xié)同調(diào)節(jié)過(guò)程(co-ordinateregulation)。mRNA從5′端依次翻譯，表達(dá)產(chǎn)物β-半乳糖苷酶、β-半乳糖苷酶透性酶和半乳糖苷轉(zhuǎn)乙酰基酶均依次出現(xiàn)，三種酶共享一條mRNA鏈作為翻譯的模板。10.3.2小分子效應(yīng)物的作用

調(diào)節(jié)蛋白是否具有活性有時(shí)取決于它是否與一個(gè)小分子物質(zhì)結(jié)合，能夠結(jié)合于蛋白并改變其性質(zhì)的小分子物質(zhì)稱作效應(yīng)物。細(xì)菌細(xì)胞有兩種類型的效應(yīng)物：誘導(dǎo)物和輔阻遏物。

(1)誘導(dǎo)物：與阻遏蛋白結(jié)合，啟動(dòng)操縱子轉(zhuǎn)錄的效應(yīng)物稱作誘導(dǎo)物。無(wú)誘導(dǎo)物存在時(shí)，阻遏蛋白與操縱基因牢固結(jié)合，阻止RNA聚合酶進(jìn)入啟動(dòng)子區(qū)域，操縱子被關(guān)閉，結(jié)構(gòu)基因不能轉(zhuǎn)錄。

有誘導(dǎo)物存在時(shí)，誘導(dǎo)物與阻遏蛋白結(jié)合，促使后者空間構(gòu)象變化，使阻遏蛋白與操縱基因親和力下降而解離下來(lái)，RNA聚合酶能夠進(jìn)入啟動(dòng)子區(qū)域，開(kāi)啟了結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)。

因誘導(dǎo)物的存在而使基因表達(dá)開(kāi)放的調(diào)節(jié)稱為可誘導(dǎo)的調(diào)節(jié)。最典型的例子是大腸桿菌的乳糖操縱子。

(2)輔阻遏物：能與阻遏物（蛋白）結(jié)合而阻斷轉(zhuǎn)錄的效應(yīng)物稱為輔阻遏物。有些阻遏蛋白本身不具有結(jié)合操縱基因的活性，在自然狀態(tài)下操縱子是開(kāi)放的，能正常表達(dá)。當(dāng)細(xì)胞中有輔阻遏物存在時(shí)，它可以結(jié)合到阻遏蛋白分子上，提高阻遏蛋白與操縱基因的親和性。這與誘導(dǎo)物的作用相反。

由輔阻遏物參與引起的調(diào)節(jié)又稱為可阻遏的調(diào)節(jié)，即這類基因在正常情況下都是開(kāi)啟的，處于正在合成蛋白質(zhì)或酶的狀態(tài)下，由于一些代謝終產(chǎn)物或化合物的積累將其關(guān)閉，阻遏了基因的表達(dá)，所以稱為可阻遏的基因表達(dá)調(diào)控。10.3.3降解物對(duì)基因活性的調(diào)節(jié)有葡萄糖存在的情況下，即使在細(xì)菌培養(yǎng)基中加入乳糖、半乳糖、阿拉伯糖、麥芽糖等誘導(dǎo)物，與其相對(duì)應(yīng)的操縱子也不會(huì)啟動(dòng)產(chǎn)生代謝這些糖的酶。這是因?yàn)槠咸烟鞘亲畛Ｓ玫奶荚?，?xì)菌所需要的能量主要從葡萄糖獲得，在這種情況下，細(xì)菌無(wú)需開(kāi)動(dòng)一些不常用的基因去利用這些稀有的糖類。

葡萄糖的存在可抑制細(xì)菌細(xì)胞中的腺苷酸環(huán)化酶活性，從而減少環(huán)腺苷酸(cAMP)的合成，與它結(jié)合的受體蛋白質(zhì)CAP因找不到配體而不能形成復(fù)合物（cAMP-CAP）。

cAMP-CAP是一個(gè)重要的正調(diào)節(jié)物質(zhì)，可以與操縱子上的啟動(dòng)子區(qū)結(jié)合，啟動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄。葡萄糖存在時(shí)，由于不易形成復(fù)合物cAMP-CAP，受其調(diào)控的基因就不表達(dá)。如果培養(yǎng)基中葡萄糖的含量下降，腺苷酸環(huán)化酶活力就會(huì)相應(yīng)提高，cAMP合成增加，cAMP與CAP形成復(fù)合物并與啟動(dòng)子結(jié)合，促進(jìn)乳糖操縱子的表達(dá)。10.3.4阻遏蛋白的作用機(jī)制1．阻遏蛋白識(shí)別并特異結(jié)合DNA的方式2、誘導(dǎo)物對(duì)阻遏蛋白結(jié)合操縱基因的影響3．阻遏蛋白對(duì)RNA聚合酶功能的影響1．阻遏蛋白識(shí)別并特異結(jié)合DNA的方式

阻遏蛋白識(shí)別操縱基因DNA特異序列是通過(guò)阻遏蛋白的識(shí)別位點(diǎn)進(jìn)行的，它們的共同特點(diǎn)是具有對(duì)稱性。如圖10-3所示，以+11為對(duì)稱軸，每邊為兩段各6bp的對(duì)稱序列，TGTGTG和AATTGT?？拷鼘?duì)稱軸的一對(duì)反向重復(fù)序列在阻遏蛋自結(jié)合過(guò)程中起主要作用。

阻遏蛋白的結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，它是同樣亞基組成的四聚體，每個(gè)亞基都有同樣的DNA結(jié)合位點(diǎn)。許多原核生物基因的阻遏蛋白都具有類似超二級(jí)結(jié)構(gòu)的螺旋一轉(zhuǎn)角一螺旋DNA結(jié)合基序(見(jiàn)圖11-4)。由于螺旋能插入到DNA雙螺旋的大溝中，因此能特異性地識(shí)別并以氫鍵形式結(jié)合于DNA堿基序列上。2、誘導(dǎo)物對(duì)阻遏蛋白結(jié)合操縱基因的影響誘導(dǎo)物可以與游離阻遏蛋白結(jié)合，也可以與阻遏蛋白和操縱基因的復(fù)合物結(jié)合。誘導(dǎo)物的結(jié)合可以使阻遏蛋白產(chǎn)生變化，使其從操縱基因上釋放。

體外實(shí)驗(yàn)表明，加入IPTG能很快引起阻遏蛋白與操縱基因復(fù)合物不穩(wěn)定。

3．阻遏蛋白對(duì)RNA聚合酶功能的影響阻遏蛋白和RNA聚合酶可同時(shí)與DNA結(jié)合，且阻遏蛋白與DNA的結(jié)合能增強(qiáng)RNA聚合酶結(jié)合DNA的能力。

RNA聚合酶和阻遏蛋白同時(shí)與DNA結(jié)合，形成RNA聚合酶-阻遏蛋白-DNA三元復(fù)合物，不發(fā)生轉(zhuǎn)錄作用。當(dāng)加入誘導(dǎo)物后，釋放出阻遏蛋白，關(guān)閉的復(fù)合物轉(zhuǎn)變成開(kāi)放的復(fù)合物，起始轉(zhuǎn)錄。10.4色氨酸操縱子(trp)

大腸桿菌的色氨酸操縱子是受阻遏物負(fù)調(diào)控的生物合成操縱子的典型實(shí)例。色氨酸操縱子包括5個(gè)結(jié)構(gòu)基因(trpA、B、C、D、E)負(fù)責(zé)色氨酸的生物合成。

色氨酸的合成分5步完成。每步需要一種酶，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?lè)醋觤RNA分子上。鄰氨基苯甲酸合成酶、鄰氨基苯甲酸焦磷酸轉(zhuǎn)移酶、鄰氨基苯甲酸異構(gòu)酶、色氨酸合成酶和吲哚甘油一3-磷酸合成酶，分別以trpE、trpD、trpC、trpB、trpA表示，和trpE緊鄰的是啟動(dòng)子區(qū)和操縱子區(qū)(見(jiàn)圖10.4)。a10.4.1色氨酸操縱子的阻遏系統(tǒng)Trp操縱子中產(chǎn)生阻遏物（蛋白）的基因trpR距trp基因簇較遠(yuǎn)，編碼合成一個(gè)相對(duì)分子質(zhì)量為58000阻遏蛋白；色氨酸水平很低時(shí)，這個(gè)阻遏蛋白以游離形式存在，不能結(jié)合到操縱基因上。此時(shí)操縱子能夠轉(zhuǎn)錄和表達(dá)，使細(xì)菌細(xì)胞合成色氨酸。

當(dāng)在培養(yǎng)基中的色氨酸過(guò)量時(shí)，它能與阻遏蛋白形成復(fù)合物，并結(jié)合到操縱基因上阻止結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄，這種以終產(chǎn)物阻止基因轉(zhuǎn)錄的機(jī)理稱為反饋抑制。此終產(chǎn)物(色氨酸)稱為輔阻遏物(見(jiàn)圖10-5)。aa

由色氨酸操縱子調(diào)節(jié)基因堿基序列圖(圖10-6)可以看出，啟動(dòng)子與操縱區(qū)域有很大程度的重疊，使色氨酸-阻遏蛋白復(fù)合體和RNA聚合酶結(jié)合DNA分子具有競(jìng)爭(zhēng)性，體外實(shí)驗(yàn)表明，如果先加入色氨酸-阻遏蛋白復(fù)合體，RNA聚合酶不能與啟動(dòng)子結(jié)合，否則反之。

色氨酸操縱子的阻遏系統(tǒng)是色氨酸生物合成途徑的第一水平調(diào)控(初調(diào))，它主要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄的啟動(dòng)與否。色氨酸操縱子的第二水平控制(細(xì)調(diào))是色氨酸操縱子的弱化系統(tǒng)，它決定著已經(jīng)啟動(dòng)的轉(zhuǎn)錄是否能夠繼續(xù)進(jìn)行下去。10.4.2色氨酸操縱子的弱化系統(tǒng)1.前導(dǎo)肽及其序列結(jié)構(gòu)2.mRNA前導(dǎo)區(qū)序列分析3.轉(zhuǎn)錄的弱化效應(yīng)4.細(xì)菌的應(yīng)急反應(yīng)1、前導(dǎo)肽及其序列結(jié)構(gòu)

Yanofsky發(fā)現(xiàn)了色氨酸生物合成途徑的第二水平調(diào)控。在色氨酸mRNA5′端trpE起始密碼子前有一段162bp的DNA序列和核糖體結(jié)合位點(diǎn)，稱為前導(dǎo)區(qū)(1eader)，實(shí)驗(yàn)表明如果123-150位堿基序列缺失，色氨酸操縱子基因表達(dá)量可提高6倍。

當(dāng)mRNA轉(zhuǎn)錄起始后如果培養(yǎng)基中存在一定水平的色氨酸，轉(zhuǎn)錄能夠被啟動(dòng)，但在這個(gè)區(qū)域(弱化子)停止，產(chǎn)生一個(gè)140nt的RNA分子；

如果沒(méi)有色氨酸存在，則轉(zhuǎn)錄繼續(xù)進(jìn)行，合成trpEmRNA。所以，這個(gè)區(qū)域參與了色氨酸操縱子基因表達(dá)的調(diào)節(jié)。

研究還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)mRNA合成起始以后，除非培養(yǎng)基中完全沒(méi)有色氨酸，否則轉(zhuǎn)錄總是在這個(gè)區(qū)域終止。因?yàn)檗D(zhuǎn)錄終止發(fā)生在這一區(qū)域，并且這種終止能被調(diào)節(jié)，因此這個(gè)區(qū)域被稱為弱化子(attenuator)或衰減子。對(duì)引起終止的mRNA堿基序列研究發(fā)現(xiàn)，這一區(qū)域的mRNA堿基序列可通過(guò)自我配對(duì)形成莖-環(huán)結(jié)構(gòu)，具有典型的終止子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(圖10-7)。

對(duì)前導(dǎo)肽的研究表明，弱化或衰減作用需要有負(fù)載的tRNATrp參與，說(shuō)明前導(dǎo)序列的某些部分在轉(zhuǎn)錄的同時(shí)也被翻譯了。分析前導(dǎo)序列，發(fā)現(xiàn)它包括起始密碼子AUG和終止密碼子UGA，當(dāng)翻譯起始于此處的AUG，則產(chǎn)生一個(gè)含有14個(gè)氨基酸的多肽，稱為前導(dǎo)肽。2、mRNA前導(dǎo)區(qū)序列分析

trp前導(dǎo)區(qū)的堿基序列已經(jīng)全部測(cè)定，發(fā)現(xiàn)完整的前導(dǎo)序列可分為1、2、3、4區(qū)域，這四個(gè)區(qū)域的片段能以兩種不同的方式進(jìn)行堿基配對(duì)(圖10-8)，有時(shí)以1-2和3-4配對(duì)，有時(shí)只以2-3方式互補(bǔ)配對(duì)。3．轉(zhuǎn)錄的弱化效應(yīng)

轉(zhuǎn)錄的弱化理論認(rèn)為，mRNA轉(zhuǎn)錄的終止是通過(guò)前導(dǎo)肽基因的翻譯來(lái)調(diào)節(jié)的，在前導(dǎo)肽基因中有兩個(gè)相鄰的色氨酸密碼子，在翻譯時(shí)對(duì)tRNATrp的濃度十分敏感。

當(dāng)培養(yǎng)基中色氨酸的濃度很低時(shí)，負(fù)載有色氨酸的tRNATrp也很少，由此推斷，翻譯通過(guò)兩個(gè)相鄰色氨酸密碼子的速度就會(huì)很慢。當(dāng)4區(qū)被轉(zhuǎn)錄完成時(shí)，核糖體才移動(dòng)到1區(qū)(或停留在兩個(gè)相鄰的色氨酸密碼子處)，這時(shí)的前導(dǎo)區(qū)結(jié)構(gòu)是2-3配對(duì)，不形成3-4配對(duì)的終止結(jié)構(gòu)，所以轉(zhuǎn)錄可繼續(xù)進(jìn)行，直到將色氨酸操縱子中的結(jié)構(gòu)基因全部轉(zhuǎn)錄完為止。測(cè)定結(jié)果發(fā)現(xiàn):在缺乏色氨酸時(shí)所有的RNA聚合酶都能經(jīng)過(guò)弱化子繼續(xù)參與轉(zhuǎn)錄，表達(dá)量提高10倍加上取消阻遏增加的約70倍的表達(dá)總表達(dá)量可增加約700倍（10*70）

當(dāng)培養(yǎng)基中色氨酸濃度高時(shí)，核糖體可順利通過(guò)兩個(gè)相鄰的色氨酸密碼子，在4區(qū)被轉(zhuǎn)錄之前，核糖體就到達(dá)2區(qū)，這樣使2-3不能配對(duì)，3-4區(qū)可以自由配對(duì)形成莖．環(huán)式的終止子結(jié)構(gòu)，使得只有約10％的RNA聚合酶能繼續(xù)參與色氨酸操縱子結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄(圖10-8)。

由此可見(jiàn)，弱化子對(duì)RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄的終止依賴于前導(dǎo)肽翻譯中核糖體所處的位置，而細(xì)胞中色氨酸的存在與否，決定了mRNA轉(zhuǎn)錄的弱化子結(jié)構(gòu)，使弱化子中1、2、3、4區(qū)域呈現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)性配對(duì)，從而產(chǎn)生了弱化效應(yīng)，這是色氨酸操縱子第二水平調(diào)控的機(jī)制。

色氨酸、苯丙氨酸、蘇氨酸、異亮氨酸和纈氨酸操縱子，以及沙門氏菌屬的組氨酸和亮氨酸的操縱子、嘧啶合成操縱子等，都采取弱化子調(diào)節(jié)這種方式。每個(gè)操縱子的前導(dǎo)肽中都含有該操縱子所要調(diào)控的重復(fù)密碼子(表10-2)。操縱子前導(dǎo)肽的氨基酸序列色氨酸蘇氨酸組氨酸異亮氨酸-纈氨酸GEDA亮氨酸

苯丙氨酸異亮氨酸纈氨酸BMetLysAlaIlePheValLeuLysGlyTrpTrpArgThrSerMetLysArgIleSerThrThrIleThrThrIleThrIleThrThrGlyAsnGlyAlaGlyMetThrArgValClnPheLysHisHisHisHisHisHisHisProAspMetThrAlaLeuLeuArgValIleSerLeuValValIleValValValIle……IleIleProProGysGlyAlaAlaLeuGlyArgGlyLysAlaMetSerHisIleValArgPheThrGlyLeuLeuLeuLeuAsnAlaPheIleVel……ArgGlyArgProValGlyIleGlnHisMetLysHisIleProPhePhePheAlaPhePhePheThrPheProMetThrThrSerMetLeuAsnAlaLysLeuLeuProThrAlaProSetAla……AlaValValValValArgValValValValValGlyAsnAlaPro

在這種調(diào)節(jié)方式中，起信號(hào)作用的是細(xì)胞中某一氨基酸的濃度和有特殊負(fù)載的氨基酰-tRNA的濃度。色氨酸操縱子當(dāng)色氨酸缺乏時(shí)是開(kāi)啟的，但如果在培養(yǎng)基中