色氨酸操纵子

色氨酸操纵子

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。细菌这种对色氨酸利用的调节是通过色氨酸操纵子（trp operon）来实现的。

一、色氨酸操纵子的结构与阻遏蛋白的负性调控

色氨酸操纵子的结构与乳糖操纵子相似，结构基因由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，结构基因上游为启动子P trp 和操纵序列O，不过其调控基因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47KD的调控蛋白R。

点击后看大图色氨酸操纵子是属于一种负性调控的、可阻遏的操纵子。以组成性方式低水平表达的阻遏蛋白R并不具有与O结合的活性，只有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，才能够与操纵序列O特异性亲和结合，阻遏结构基因的转录。因此这类操纵子通常是开放转录的，有效应物（色氨酸为阻遏剂）作用时则关闭转录。细菌不少生物合成系统的操纵子都属于这种类型，其调控可使细菌处在生存繁殖最经济最节省的状态。

二、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受转录衰减（attenuation)机制的调节。

在色氨酸操纵子P trp-O与第一个结构基因trpE之间有一段162bp的前导序列构成衰减子区域（attenuator region)，研究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。这段序列能够编码14个氨基酸的短肽，其中有2个色氨酸相连，在此编码区前有核糖体识别结合位点（RBS）序列，提示这段短序列在转录后是能被翻译的。在衰减子区域的后半段有4个反向重复序列1、2、3、4，在被转录生成mRNA后它们两两能够形成3个发夹式结构（hairpin structure)(1-2、2-3、3-4），但由于序列2、3的重复使用，所以同时最多只能够形成两个发夹式结构；如果序列1、2形成发夹结构，那么序列2、3就不能形成发夹结构，有利于序列3、4生成发夹结构；由于序列4后面紧跟一串A（转录成RNA 就是一串U），所以由3、4形成的发夹结构实际上是一个终止结构，如果转录成mRNA时这个发夹结构形成，就能使RNA聚合酶停止转录而从mRNA上脱离下来。三种不同情况下形成的发夹结构见图。

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当色氨酸的浓度较高或很高时，核糖体能够很快的通过序列1，并封闭序列2，这种与转录偶联的过程导致序列3、4形成一个不依赖ρ因子的转录终止结构——衰减子（attenuator)，使得前方的RNA聚合酶脱落，转录终止。当色氨酸缺乏时，没有色氨酰-tRNA提供，核糖体的翻译停止在序列1和2的色氨酸密码子前，序列2、3得以形成发夹式结构，阻止序列3、4形成衰减子结构，RNA转录继续进行。因此转录衰减的实质是转录与一个前导肽翻译过程的偶联，它是原核生物特有的基因调控机制。

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。在色氨酸操纵子中，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子（如组氨酸、苏氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸等操纵子）中也有类似的衰减子存在。