乳糖操纵子的表达调控

色氨酸弱化机制
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 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
弱化作用的意义
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。
➢ LacZ编码β-半乳糖苷酶，功能是是将乳糖水解为葡萄糖 和半乳糖。
➢ LacY编码β-半乳糖苷透过酶，功能是促进β-半乳糖苷 酶进入细胞。
➢ LacA编码β-半乳糖苷转乙酰基酶，催化将乙酰基团从乙 酰辅酶A转移到β-半乳糖苷分子上。
二．乳糖操纵子的负调控
大肠杆菌在有葡萄糖作为碳源的培养基中生长时，不能代谢乳 糖，因为缺少乳糖代谢的酶。当生长在没有葡萄糖只有乳糖的 培养基中时代谢乳糖的酶量从几个分子迅速增加近千倍，即细 菌在短时间内合成了能够利用乳糖的一系列酶，具备了利用乳 糖作为碳源的能力，在这个培养基上生存了下来。
乳糖操纵子的表达调控
一．乳糖操纵子的基本结构
基本结构
➢ 大肠杆菌乳糖操纵子是大肠杆菌DNA的一个特定区段，由 调节基因I，CAP结合位点，启动基因P，操纵基因O和结构 基因Z，Y，A组成。
➢ P区是转录起始时RNA聚合酶的结合部位。 ➢ O区是阻遏蛋白的结合部位，其功能是控制结构基因的转
录。 ➢ I基因通常进行转录和翻译，产生有活性的阻遏蛋白。
提要内容 ◦ 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
一．色氨酸操纵子的结构
特点
（1）trpR与trpABCDE不连锁； （2）操纵基因与启动子部分重叠 （3）有衰减子（attenuator）/弱化子 （4）启动子与结构基因不直接相连，二者被 前导序列（ Leader）所隔开
。茎-环结构
mRNA前导区序列分析
trp前导区的碱基序列已经全部测定，发现完整 的前导序列可分为1、2、3、4区域，这四个区 域的片段能以两种不同的方式进行碱基配对， 有时以1-2和3-4配对，有时只以2-3方式互补配 对。而3-4配对区正好位于终止密码子识别区， 当这个区域发生破坏自我碱基突变，有利于转 录的继续进行。
细菌获得这一能力的原因是在乳糖的诱导下开启了乳糖操纵子 调控机制，表达了与代谢乳糖相关的酶所致。
乳糖操纵子负调控机制如图一、图二所示
a) 乳糖操纵子的阻遏状态
图一
b) 乳糖操纵子的诱导状态
图二
三．乳糖操纵子的正调控（ CAP 的正调控）
在lac操纵子的启动子Plac上游端有一段序列与Plac部分重叠的 序列，能与CAP特异结合，称为CAP结合位点（CAP binding site）。CAP与这段序列结合时，可增强RNA聚合酶的转录活 性，使转录提高50倍。相反，当有葡萄糖可供分解利用时， cAMP浓度降低，CRP不能被活化，lac操纵子的结构基因表达 下降。这就是乳糖操纵子的正调控。
前导序列
研究还发现，当mRNA 合成起始以后，除非培养
基中完全没有色氨酸，否则转录总在这个区域停 止，这就是123-150序列缺失提高色氨酸基因表达 的原因。因为转录发生在这个区域并且这种终止 能被调节，因此这个区域被称为弱化子或衰减子。 该区域序列的mRNA可通过自我配对形成茎-环结构， 具有典型的终止子的结构特点。
乳糖操纵子的正调控机制如图三
正调控机制
图三Fra Baidu bibliotek
正调控意义
由于Plac是弱启动子，单纯因乳糖的存在发生去阻遏 使lac操纵子转录开放，还不能使细菌很好利用乳糖， 必需同时有CAP来加强转录活性，细菌才能合成足 够的酶来利用乳糖。lac操纵子的强诱导既需要有乳 糖的存在又需要没有葡萄糖可供利用。通过这机制， 细菌是优先利用环境中的葡萄糖，只有无葡萄糖而 又有乳糖时，细菌才去充分利用乳糖。
阻遏调控机制
阻遏蛋白有活性 阻遏蛋白无活性
三．色氨酸操纵子的弱化调控机制
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阻遏蛋白使其起阻 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 现象与色氨酸操纵子弱化调控机制有关。
➢ 在色氨酸mRNA5’端trpE起始密码子前有一段162bp的 DNA序列和核糖体结合位点，称为前导区，实验表明如 果123-150位碱基序列缺失，色氨酸操纵子基因表达量可 提高6倍。如果培养基中存在一定水平的色氨酸，转录 能够被启动，但在这个区域停止，产生一个140个核苷 酸的RNA分子；如果没有色氨酸存在，则转录继续进行， 合成trpEmRNA，所以这个区域参与了色氨酸操纵子基 因表达的调节。
二．Trp操纵子阻遏调控机制
➢ Trp操纵子转录起始的调控是通过阻遏蛋白实现的。 产生阻遏蛋白的基因是trpR，在高浓度trp存在时， 阻遏蛋白-色氨酸复合物形成一个同源二聚体，并 且与色氨酸操纵子紧密结合，因此可以阻止转录。 当trp水平低时，阻遏蛋白以一种非活性形式存在， 不能结合DNA。这样trp操纵子被RNA聚合酶转录， 同时trp生物合成途径被激活。因此色氨酸操纵子 属于一种负性调控的、可阻遏的操纵子。