色氨酸操纵子分析
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第四节 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调控机制
色氨酸操纵子的弱化调控机制
1
一、色氨酸操纵子的结构
调控基因
结构基因
trpR
催化从分支酸到合成色氨酸所需的酶
2
分支酸 → N-氨基苯甲酸 →→→→→→吲哚-3-甘油-磷酸 → 色氨酸
邻氨基苯甲酸合成酶
123~150
9
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。
10
邻氨基苯 吲哚甘油 色氨酸合成酶 甲酸合成酶 磷酸合成酶 TrpE terpD trpC trpB trpA t 衰减子 t’
启动子 操纵基因
前导序列
p p p N 2 6 AUG AAAG CAAUUUUCG UACUG AAG G UUGG UGG CG CA CUUCCUG AN 4 3 A UUUUUUU U 富含 G-C 的发 G C Leader peptide 夹结构 / 富含 C G U 的单链末端 C G Aaaaaa C G Met Lys Ala Ile Phe Val Leu Lys Gly Trp Trp Arg Thr Ser A G C C G A C G U U AA
3
UUUU…… UUUU……
4
trp 密码子 前导肽
序列3、4不能形成衰减子结构 2.当色氨酸浓度低时
16
High Trp
Low Trp
17
Baidu Nhomakorabea
弱化机制
18
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
4
特点:
(1) trpR和trpABCDE不连锁；
(2) 操纵基因（操作子）和启动子部分重叠
(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
5
二、trp 操纵子的阻遏系统
trpR trpP trpO trpE trpD trpC trpB trpA
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。
21
色氨酸操纵子的调控机制
阻遏调控 弱化（衰减调控） ●前导序列L含有四段特殊序列，序列1前有一段前 导肽。其10-11位是连续的色氨酸； ●序列2-3或3-4可形成茎环结构，3-4之间的茎环结 构是一个转录终止子结构（衰减子） ●Trp缺乏时，核糖体的翻译停滞在11-12位色氨酸 密码处，序列2-3形成茎环结构，3-4就不能形成终 止子，结构基因转录继续进行。反之，停止。
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)
11
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。
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
19
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
20
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，
低Trp时： 阻遏物不结合 操纵基因;
蛋白 TrpR(无活性)
高Trp时： 阻遏物+Trp 结合操纵基因
阻遏物
活化的 阻遏蛋白
(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)
6
色氨酸的调节
吲哚-3-甘油 磷酸合成酶
色氨酸合成酶 β链 α链 29，000 trpA
O L 间隔区 P
60，000 trpE
60，000 trpD
4 5，000 50，000 trpC trpB
P：启动子；O：操作子； L：前导序列； E.coli trpO 的结构及其产物所催化的色氨酸合成反应
3
乳糖操纵子的基本结构与调控原理
调节区
trpR
转录衰减
结构基因
RNA聚合酶 P O RNA聚合酶
Trp 低时
mRNA
Trp 高时 Trp
色氨酸操纵子
7
三、trp 操纵子的弱化机制 衰减子（attenuator）/弱化子 前导序列（leader sequence）
8
1、衰减子/弱化子：DNA中可导致转录过早终止的 一段核甘酸序列（123-150区）。
12
13
调节区
trpR
结构基因
P
O 前导序列 衰减子区域
前导mRNA
1
2
3
4
UUUU……
trp 密码子
终止密码子
1
14aa前导肽编码区 : 包含序列1 UUUU…… 衰减子结构 2 第10、11密码子为trp密码子 UUUU……
2 3 3
UUUU……
4
形成发夹结构能力强弱： 序列1/2>序列2/3>序列3/4
22
重 点
色氨酸操纵子的阻遏调控机理 色氨酸操纵子的衰减（弱化）调控机理
23
14
转录衰减机制
前导DNA
RNA聚合酶
前导mRNA
4
UUUU 3’
衰减子结构 就是终止子 可使转录 终止
5’
1
核糖体
2
3
3
UUUU 3’ UUUU……
4
trp 密码子
前导肽
1.当色氨酸浓度高时
15
前导DNA
Trp合成酶系相关 结构基因被转录
RNA聚合酶 结构基因
前导mRNA
2 3 2 4
5’
核糖体 1
内容提要：
色氨酸操纵子的结构 色氨酸操纵子的阻遏调控机制
色氨酸操纵子的弱化调控机制
1
一、色氨酸操纵子的结构
调控基因
结构基因
trpR
催化从分支酸到合成色氨酸所需的酶
2
分支酸 → N-氨基苯甲酸 →→→→→→吲哚-3-甘油-磷酸 → 色氨酸
邻氨基苯甲酸合成酶
123~150
9
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。
10
邻氨基苯 吲哚甘油 色氨酸合成酶 甲酸合成酶 磷酸合成酶 TrpE terpD trpC trpB trpA t 衰减子 t’
启动子 操纵基因
前导序列
p p p N 2 6 AUG AAAG CAAUUUUCG UACUG AAG G UUGG UGG CG CA CUUCCUG AN 4 3 A UUUUUUU U 富含 G-C 的发 G C Leader peptide 夹结构 / 富含 C G U 的单链末端 C G Aaaaaa C G Met Lys Ala Ile Phe Val Leu Lys Gly Trp Trp Arg Thr Ser A G C C G A C G U U AA
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UUUU…… UUUU……
4
trp 密码子 前导肽
序列3、4不能形成衰减子结构 2.当色氨酸浓度低时
16
High Trp
Low Trp
17
Baidu Nhomakorabea
弱化机制
18
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
4
特点:
(1) trpR和trpABCDE不连锁；
(2) 操纵基因（操作子）和启动子部分重叠
(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
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二、trp 操纵子的阻遏系统
trpR trpP trpO trpE trpD trpC trpB trpA
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。
21
色氨酸操纵子的调控机制
阻遏调控 弱化（衰减调控） ●前导序列L含有四段特殊序列，序列1前有一段前 导肽。其10-11位是连续的色氨酸； ●序列2-3或3-4可形成茎环结构，3-4之间的茎环结 构是一个转录终止子结构（衰减子） ●Trp缺乏时，核糖体的翻译停滞在11-12位色氨酸 密码处，序列2-3形成茎环结构，3-4就不能形成终 止子，结构基因转录继续进行。反之，停止。
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)
11
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。
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
19
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
20
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，
低Trp时： 阻遏物不结合 操纵基因;
蛋白 TrpR(无活性)
高Trp时： 阻遏物+Trp 结合操纵基因
阻遏物
活化的 阻遏蛋白
(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)
6
色氨酸的调节
吲哚-3-甘油 磷酸合成酶
色氨酸合成酶 β链 α链 29，000 trpA
O L 间隔区 P
60，000 trpE
60，000 trpD
4 5，000 50，000 trpC trpB
P：启动子；O：操作子； L：前导序列； E.coli trpO 的结构及其产物所催化的色氨酸合成反应
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乳糖操纵子的基本结构与调控原理
调节区
trpR
转录衰减
结构基因
RNA聚合酶 P O RNA聚合酶
Trp 低时
mRNA
Trp 高时 Trp
色氨酸操纵子
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三、trp 操纵子的弱化机制 衰减子（attenuator）/弱化子 前导序列（leader sequence）
8
1、衰减子/弱化子：DNA中可导致转录过早终止的 一段核甘酸序列（123-150区）。
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调节区
trpR
结构基因
P
O 前导序列 衰减子区域
前导mRNA
1
2
3
4
UUUU……
trp 密码子
终止密码子
1
14aa前导肽编码区 : 包含序列1 UUUU…… 衰减子结构 2 第10、11密码子为trp密码子 UUUU……
2 3 3
UUUU……
4
形成发夹结构能力强弱： 序列1/2>序列2/3>序列3/4
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重 点
色氨酸操纵子的阻遏调控机理 色氨酸操纵子的衰减（弱化）调控机理
23
14
转录衰减机制
前导DNA
RNA聚合酶
前导mRNA
4
UUUU 3’
衰减子结构 就是终止子 可使转录 终止
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1
核糖体
2
3
3
UUUU 3’ UUUU……
4
trp 密码子
前导肽
1.当色氨酸浓度高时
15
前导DNA
Trp合成酶系相关 结构基因被转录
RNA聚合酶 结构基因
前导mRNA
2 3 2 4
5’
核糖体 1