原核基因的表達(dá)調(diào)控

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1、Contents基因表達(dá)調(diào)控的基本概念原核基因調(diào)控機(jī)制乳糖操縱子色氨酸操縱子轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控(二）色氨酸操縱子（trpoperon）內(nèi)容提要：色氨酸操縱子的結(jié)構(gòu)色氨酸操縱子的阻遏系統(tǒng)色氨酸操縱子的弱化機(jī)制1.色氨酸操縱子結(jié)構(gòu)（1）結(jié)構(gòu)基因ED編碼5種酶，在催化分支酸轉(zhuǎn)變?yōu)镃BL-色氨酸的過程中發(fā)揮作用AL轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物是先導(dǎo)mRNA（2）調(diào)控元件啟動(dòng)子（P）操縱基因（O）調(diào)控基因結(jié)構(gòu)基因催化分枝酸轉(zhuǎn)變?yōu)樯彼?的酶trpRtrp①trpR和trpABCDE不連鎖；②操縱基因在啟動(dòng)子內(nèi)③有衰減子(attenua

2、tor)/弱化子trpa④啟動(dòng)子和結(jié)構(gòu)基因不直接相連，二者被前導(dǎo)序列(Leader)trpL所隔開（3）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)色氨酸操縱子表達(dá)的調(diào)控阻遏系統(tǒng)粗開關(guān)主管轉(zhuǎn)錄是否啟動(dòng)弱化作用（attenuation)細(xì)調(diào)開關(guān)主管已經(jīng)啟動(dòng)的轉(zhuǎn)錄是否繼續(xù)下去。2.阻遏物對色氨酸操縱子的負(fù)調(diào)控(1)阻遏物(輔阻遏蛋白）:同二聚體蛋白質(zhì)(2)阻遏物本身不能與操縱基因O結(jié)合，必須和色氨酸結(jié)合才能與O結(jié)合，而阻遏結(jié)構(gòu)基因的表達(dá)(3)色氨酸是一種共阻遏物trp操縱子的阻遏系統(tǒng)低Trp時(shí)：阻遏物不結(jié)合操縱基因;高Trp時(shí)：阻遏物+Trp結(jié)合操縱基因3、衰

3、減作用對色氨酸操縱子的調(diào)控高濃度色氨酸使trp操縱子的表達(dá)水平降低600倍，而阻遏作用僅使轉(zhuǎn)錄降低70倍？阻遏物失活突變不能完全消除色氨酸對trp操縱子表達(dá)的影響？（1）前導(dǎo)序列：在trpmRNA5'端trpE基因的起始密碼前一個(gè)長162bp的mRNA片段。該序列中含有4個(gè)能以兩種不同的方式進(jìn)行堿基配對的片段，分別以1、2、3、4表示。前導(dǎo)肽：前導(dǎo)序列中，發(fā)現(xiàn)有起始密碼子AUG和終止密碼子UGA。如果翻譯起始于AUG，應(yīng)該產(chǎn)生一個(gè)含有14個(gè)氨基酸的多肽。特點(diǎn)：前導(dǎo)肽中在其第10和11位上有相鄰的兩個(gè)色氨酸密碼子。前導(dǎo)序列

4、的特點(diǎn)：①某些區(qū)段富含GC，GC之間容易形成莖環(huán)二級(jí)結(jié)構(gòu)，接著有8個(gè)U構(gòu)成一個(gè)不依賴于ρ因子的終止信號(hào)；②由(1)和(2)區(qū)序列構(gòu)成第二個(gè)發(fā)夾結(jié)構(gòu)，其中(1)區(qū)處于14個(gè)氨基酸的前導(dǎo)肽序列中；③(2)和(3)區(qū)互補(bǔ)，可以形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，與(3)和(4)形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)競爭；④14個(gè)氨基酸前導(dǎo)肽中有5個(gè)核糖體強(qiáng)結(jié)合位點(diǎn)，之后還有一個(gè)UGA；⑤前導(dǎo)序列中并列2個(gè)色氨酸密碼（2）衰減子衰減子(attenuator)：原核生物操縱子中能顯著減弱甚至過早終止轉(zhuǎn)錄作用的一段核苷酸序列（123-150區(qū)）。衰減子區(qū)mRNA通過自我配對可以形

5、成莖-環(huán)結(jié)構(gòu)，有典型的終止子特點(diǎn)。在trpmRNA5‘端trpE基因的起始密碼前有一個(gè)長162bp的mRNA片段被稱為前導(dǎo)區(qū)，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)trpmRNA合成起始以后，除非培養(yǎng)基中完全沒有色氨酸，轉(zhuǎn)錄總是在前導(dǎo)區(qū)123-150區(qū)域終止，產(chǎn)生一個(gè)僅有140個(gè)核苷酸的RNA分子，終止trp基因轉(zhuǎn)錄。研究引起終止的mRNA堿基序列，發(fā)現(xiàn)該區(qū)mRNA通過自我配對可以形成莖-環(huán)結(jié)構(gòu)，有典型的終止子特點(diǎn)。123~150（3）衰減作用的調(diào)控機(jī)制-其實(shí)質(zhì)是以翻譯手段來控制基因的轉(zhuǎn)錄在原核生物中轉(zhuǎn)錄和翻譯是同時(shí)進(jìn)行的，一旦RNA聚合酶剛轉(zhuǎn)錄

6、出trpmRNA中的前導(dǎo)肽編碼區(qū)，核糖體便立即結(jié)合上去翻譯這一序列。當(dāng)培養(yǎng)基中色氨酸不足時(shí)，Trp-tRNATrp數(shù)目有限，核糖體在兩個(gè)色氨酸密碼子處(1區(qū))停頓。這時(shí)核糖體只占據(jù)l區(qū)，前面由RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄所產(chǎn)生的2區(qū)和3區(qū)便可配對，而4區(qū)以單鏈形式存在，不能形成發(fā)夾狀終止結(jié)構(gòu)。RNA聚合酶可以越過弱化子轉(zhuǎn)錄至結(jié)構(gòu)基因區(qū)，得到完整的mRNA分子。當(dāng)培養(yǎng)基中色氨酸濃度較高時(shí)，Trp-tRNATrp充足，核糖體能順利翻譯出整個(gè)前導(dǎo)肽至終止密碼子UGA處停止。此時(shí)，核糖體占據(jù)了l區(qū)和2區(qū)(UGA位于1區(qū)和2區(qū)之間)，其結(jié)果是

7、3區(qū)和4區(qū)配對，形成轉(zhuǎn)錄終止子結(jié)構(gòu)，于是轉(zhuǎn)錄在弱化子處終止。弱化作用的特點(diǎn)是外部事件控制內(nèi)部終止所需要的發(fā)夾結(jié)構(gòu)的形成。另外很重要的一個(gè)方面是轉(zhuǎn)錄和翻譯過程是前后相連（closelycoupled）的。弱化子的弱化作用與阻抑作用無關(guān)，缺失弱化子后，基礎(chǔ)水平轉(zhuǎn)錄和去阻抑轉(zhuǎn)錄都增強(qiáng)。為什么要有弱化系統(tǒng)？細(xì)菌通過弱化作用彌補(bǔ)阻遏作用的不足，因?yàn)樽瓒糇饔弥荒苁罐D(zhuǎn)錄不起始，對于已經(jīng)起始的轉(zhuǎn)錄，只能通過弱化作用使之中途停下來。為什么要有弱化系統(tǒng)？是在有大量外源色氨酸存在時(shí)，阻止非必需的先導(dǎo)mRNA的合成，它使這個(gè)系統(tǒng)更加經(jīng)濟(jì)。阻遏作

8、用的信號(hào)是細(xì)胞內(nèi)色氨酸的多少；弱化作用的信號(hào)則是細(xì)胞內(nèi)載有色氨酸的tRNA的多少。它通過前導(dǎo)肽的翻譯來控制轉(zhuǎn)錄的進(jìn)行，在細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)這兩種作用相輔相成，體現(xiàn)著生物體內(nèi)周密的調(diào)控作用。（四）阿拉伯糖操縱子（arabinoseoperon)araB基因、araA基因和araD,形成一個(gè)基因簇，簡寫為araBAD磷酸戊糖途