第2节 色氨酸操纵子

重点
乳糖操纵子的调控机理 色氨酸操纵子的调控机理
第三节 应急反应
一、严谨反应与核糖体合成的调控
概念：严谨反应（stringent response) 是指细菌生长在不良营养条件下时，由于 缺乏任何一种氨基酸等因素所导致的蛋白 质合成突然下降, tRNA合成突然停止等一 系列反应。
细菌的应急反应
四、原核生物转录的整体调控模式
由成群的操纵子组成的基因转录调控网络称为调 节子。通过组成调节子调控网络，对若干操纵子 及若干蛋白质的合成进行协同调控，从而达到整 体调控的目的。
SOS反应
DNA
Lex A阻遏蛋白
操纵序列
Rec A 激活
紫外线
SOS基因
基因 表达 与DNA 损伤修复有 关的酶和蛋白质
2
3
UUUU……
形成发夹结构能力强弱：
3
4
序列1/2>序列2/3>序列3/4
前导DNA
转录衰减机制
前导mRNA
1 5’
核糖体
RNA聚合酶
UUUU 3’
衰减子结构
就是终止子
4 可使转录 终止
3
2
34
UUUU 3U’UUU……
前导肽
trp 密码子
1.当色氨酸浓度高时
前导DNA 前导mRNA
Trp合成酶系相关 结构基因被转录
特点:
(1) trpR和trpABCDE不连锁；
(2) 操纵基因在启动子内 (3) 有衰减子(attenuator)/弱化子 (4) 启动子和结构基因不直接相连，二者被
前导序列(Leader)所隔开
二、trp 操纵子的阻遏系统
低Trp时： 阻遏物不结合 操纵基因;
trpR
trpP trpO trpE trpD trpC trpB trpA
蛋白 TrpR(无活性)
高Trp时： 阻遏物+Trp 结合操纵基因
活化的 阻遏蛋白
阻遏物
(Trp)
图 16-27 TrpR 被 Trp 激活后可阻遏 trp 操纵子的转录 (仿 B.Lewin:《GENES》Ⅳ，1990, Fig .13.16)
色氨酸的调节
转录衰减
调节区
trpR RNA聚P合酶O
魔斑 I 魔斑 II
2、前导序列：在trp mRNA5‘端trpE基因的起始密码 前一个长162bp的mRNA片段。
调节区
trpR
PO
前导序列
前导mRNA
1
2
结构基因
衰减子区域
3
4
UUUU……
trp 密码子 终止密码子
1
2 第141a0a、前1导1密肽码编子码UU为区Ut:Ur包…p密含…U码序U子U列U1……衰减子结构
邻氨基苯 吲哚甘油 色氨酸合成酶 甲酸合成酶 硼酸合成酶
TrpE terpD trpC trpB trpA t
t’
启动子 操纵基因
前导顺序 衰减子
pppN26AUGAAAGCAAUUUUCGUACUGAAGGUUGGUGGCGCACUUCCUGAN43A UUUUUUUU 富含 G-C 的发 G C
第二节 色氨酸操纵子（trp operon）
内容提要： 色氨酸操纵子的结构 色氨酸操纵子的阻遏系统 色氨酸操纵子的弱化机制
一、色氨酸操纵子的结构
调控基因
结构基因
trpR
催化分枝酸转变为色氨酸的酶
分支酸 → 邻氨基苯甲酸 → 磷酸核糖基 → CDRP → 吲哚甘油-磷酸 → 色氨酸 邻氨基苯甲酸
邻氨基苯甲酸合成酶
RNA聚合酶停止转录,产生衰减子转录产物 转录、翻译偶联,产生前导肽
低Trp时： Trp-tRNATrp 没有供应
核糖体翻译停止在片段1 （2个Trp密码子）
片段2，3 形成发夹结构
转录不终止
RNA聚合酶继续转录
细菌通过弱化作用弥补阻遏作用的不足，因为阻 遏作用只能使转录不起始，对于已经起始的转录， 只能通过弱化作用使之中途停下来。阻遏作用的信 号是细胞内色氨酸的多少；弱化作用的信号则是细 胞内载有色氨酸的tRNA的多少。它通过前导肽的翻 译来控制转录的进行，在细菌细胞内这两种作用相 辅相成，体现着生物体内周密的调控作用。
Leader peptide
夹结构 / 富含 C G
U 的单链末端 C G
Fra Baidu bibliotek
Aaaaaa C G
Met Lys Aly Ile Phe Val Leu Lys Gly Trp Trp Arg Thr Ser
A
GC
CG
A
CG
UU
AA
图 16-28 trp 操纵子含有 5 个结构基因和 1 个控制区。控制区由启动子、操纵基因、前导顺序和衰减子 构成。前导区编码 14 个氨基酸，其中有 2 个是色氨酸。(仿 B.Lewin:《GENES》Ⅵ,1997, Fig .12.38)
吲哚甘油 硼酸合成酶
色氨酸合成酶
β链
α链
60，000 60，000
4 5，000 50，000 29，000
POl a
trpE
trpD
P
trpC
trpB
trpA
t
t’
1560
1620
1353
1191
804 36
P：起动子；O：操纵子； l：前导序列； a：衰减子； t,t’ ：终止子 图 16-15 E.coli trpO 的结构及其产物所催化的色氨酸合成反应
细菌有时会碰到紧急状况，比如氨基酸饥饿－ 氨基酸的全面匮乏。为了紧缩开支，渡过难关， 细菌会产生一个应急反应－－停止包括生产各种 RNA、糖、脂肪和蛋白质的几乎全部生物化学 反应过程。
实施这一应急反应的信号是鸟苷四磷酸(ppGpp) 和鸟苷五磷酸(pppGpp)。产生这两种物质的诱 导物是空载tRNA。
RNA聚合酶 结构基因
5’
前导肽
23
核1 糖体
2 43
4
UUUU…U…UUU……
trp 密码子 序列3、4不能形成衰减子结构
2.当色氨酸浓度低时
High Trp Low Trp
弱化机制
高Trp时： Trp-tRNATrp 存在
核糖体通过片段1(2个Trp密码子) 封闭片段2
片段3，4形成发夹结构 类似于不依赖ρ因子的转录终止序列
RNA聚合酶
Trp 低时
结构基因
mRNA
Trp 高时
Trp
色氨酸操纵子
三、trp 操纵子的弱化机制
衰减子（attenuator）/弱化子 前导序列（leader sequence）
1、衰减子：DNA中可导致转录过早终止的一段核甘 酸序列（123-150区）。
123~150
研究引起终止的mRNA碱基序列，发现该区mRNA通过自 我配对可以形成茎-环结构，有典型的终止子特点。