生物化學(xué)與分子生物學(xué):第二節(jié)　原核基因表達(dá)調(diào)控

細(xì)菌能隨環(huán)境的變化，迅速改變某些基因表達(dá)的狀態(tài)，這就是很好的基因表達(dá)調(diào)控的實(shí)驗(yàn)型。人們就是從研究這種現(xiàn)象開始，打開認(rèn)識(shí)基因表達(dá)調(diào)控分子機(jī)理的窗口的。

一、操縱元的提出

大腸桿菌可以利用葡萄糖、乳糖、麥芽糖、阿拉伯糖等作為碳源而生長(zhǎng)繁殖。當(dāng)培養(yǎng)基中有葡萄糖和乳糖時(shí)，細(xì)菌優(yōu)先使用葡萄糖，當(dāng)葡萄糖耗盡，細(xì)菌停止生長(zhǎng)，經(jīng)過短時(shí)間的適應(yīng)，就能利用乳糖，細(xì)菌繼續(xù)呈指數(shù)式繁殖增長(zhǎng)(圖19－1)。

圖19-1　大腸桿菌二階段生長(zhǎng)現(xiàn)象	圖19-2　β-半乳糖苷酶的作用

大腸桿菌利用乳糖至少需要兩個(gè)酶：促使乳糖進(jìn)入細(xì)菌的乳糖透過酶(lactose permease)催化乳糖分解第一步的β－半乳糖苷酶(β－galactosidase)(圖19-2)。

在環(huán)境中沒有乳糖或其他β-半乳糖苷時(shí)，大腸桿菌合成β-半乳糖苷酶量極少，加入乳糖2－3分鐘后，細(xì)菌大量合成β-半乳糖苷酶，其量可提高千倍以上，在以乳糖作為唯一碳源時(shí)，菌體內(nèi)的β-半乳糖苷酶量可占到細(xì)菌總蛋白量的3%。在上述二階段生長(zhǎng)細(xì)菌利用乳糖再次繁殖前，也能測(cè)出細(xì)菌中β-半乳糖苷酶活性顯著增高的過程。這種典型的誘導(dǎo)現(xiàn)象，是研究基因表達(dá)調(diào)控的極好模型。

圖19-3　Jacob和Monod提出的lacoperon模

針對(duì)大腸桿菌利用乳糖的適應(yīng)現(xiàn)象，法國(guó)的Jacob和Monod等人做了一系列遺傳學(xué)和生化學(xué)研究實(shí)驗(yàn)，于1961年提出乳糖操縱元(lac operon)學(xué)說，如圖19-3所示。圖19-3中z、a和b型是大腸桿菌編碼利用乳糖所需酶類的基因，p是轉(zhuǎn)錄z、a、b所需要的啟動(dòng)子，調(diào)控基因i編碼合成調(diào)控蛋白R(shí)，R能與o結(jié)合而阻礙從p開始的基因轉(zhuǎn)錄，所以o就是調(diào)節(jié)基因開放的操縱序列，乳糖能改變R結(jié)構(gòu)使其不能與o結(jié)合，因而乳糖濃度增高時(shí)基因就開放，轉(zhuǎn)錄合成所編碼的酶類，這樣大腸桿菌就能適應(yīng)外界乳糖供應(yīng)的變化而改變利用乳糖的狀況，這個(gè)模型是人們?cè)诳茖W(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上第一次開始認(rèn)識(shí)基因表達(dá)調(diào)控的分子機(jī)理。

二、操縱元(operon)的基本組成

乳糖操縱元模型被以后的許多研究實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，對(duì)其有了更深入的認(rèn)識(shí)，并且發(fā)現(xiàn)其他原核生物基因調(diào)控也有類似的操縱元組織，操縱元是原核基因表達(dá)調(diào)控的一種重要的組織形式，大腸桿菌的基因多數(shù)以操縱元的形式組成基因表達(dá)調(diào)控的單元。下面就以半乳糖操縱元為例子說明操縱元的最基本的組成組件(elements)。

(一)結(jié)構(gòu)基因群

操縱元中被調(diào)控的編碼蛋白質(zhì)的基因可稱為結(jié)構(gòu)基因(structural gene, SG)。一個(gè)操縱元中含有2個(gè)以上的結(jié)構(gòu)基因，多的可達(dá)十幾個(gè)。每個(gè)結(jié)構(gòu)基因是一個(gè)連續(xù)的開放讀框(open reading frame)，5′端有翻譯起始碼(DNA存儲(chǔ)鏈gydjdsj.org.cn/shouyi/上是ATG，轉(zhuǎn)錄成mRNA就是AUG)，3′端有翻譯終止碼(DNA存儲(chǔ)鏈上是TAA、TGA或TAG，轉(zhuǎn)錄成mRNA就是UAA、UGA或UAG)。各結(jié)構(gòu)基因頭尾銜接、串連排列，組成結(jié)構(gòu)基因群。至少在第一個(gè)結(jié)構(gòu)基因5′側(cè)具有核糖體結(jié)合位點(diǎn)(ribosome binding site, RBS),因而當(dāng)這段含多個(gè)結(jié)構(gòu)基因的DNA被轉(zhuǎn)錄成多順反子mRNA，就能被核糖體所識(shí)別結(jié)合、并起始翻譯。核糖體沿mRNA移動(dòng)；在合成完第一個(gè)編碼的多肽后，核糖體可以不脫離mRNA而繼續(xù)翻譯合成下一個(gè)基因編碼的多肽，直至合成完這條多順反子mRNA所編碼的全部多肽。

乳糖操縱元含有z、y和a三個(gè)結(jié)構(gòu)基因。z基因長(zhǎng)3510bp，編碼含1170個(gè)氨基酸、分子量為135，000的多肽，以四聚體形式組成有活性的β－半乳糖苷酶，催化乳糖轉(zhuǎn)變?yōu)閯e乳糖(allolactose)，再分解為半乳糖和葡萄糖；y基因長(zhǎng)780bp，編碼由260個(gè)氨基酸組成、分子量30��000的半乳糖透過酶，促使環(huán)境中的乳糖進(jìn)入細(xì)菌；a基因長(zhǎng)825bp，編碼含275氨基酸、分子量為32��000的轉(zhuǎn)乙�；�酶，以二聚體活性形式催化半乳糖的乙�；�。z基因5′側(cè)具有大腸桿菌核糖體識(shí)別結(jié)合位點(diǎn)(ribosome binding site, RBS)特征的Shine�睤algarno(SD)序列，因而當(dāng)乳糖操縱元開放時(shí)，核糖體能結(jié)合在轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的mRNA上。由于z、y、a三個(gè)基因頭尾相接，上一個(gè)基因的翻譯終止碼靠近下一個(gè)基因的翻譯起始碼，因而同一個(gè)核糖體能沿此轉(zhuǎn)錄生成的多順反子(polycistron)mRNA移動(dòng)，在翻譯合成了上一個(gè)基因編碼的蛋白質(zhì)后，不從mRNA上掉下來而繼續(xù)沿mRNA移動(dòng)合成下一個(gè)基因編碼的蛋白質(zhì)，一氣依次合成基因群所編碼的所有蛋白質(zhì)。

(二)啟動(dòng)子

啟動(dòng)子(promoter，P)是指能被RNA聚合酶識(shí)別、結(jié)合并啟動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄的一段DNA序列。操縱元至少有一個(gè)啟動(dòng)子，一般在第一個(gè)結(jié)構(gòu)基因5′側(cè)上游，控制整個(gè)結(jié)構(gòu)基因群的轉(zhuǎn)錄。�ビ肦NA聚合酶與分離的一段DNA雙鏈混合，再加入外切核酸酶去水解DNA，結(jié)果只有被RNA聚合酶識(shí)別結(jié)合而被保護(hù)的那段DNA不被水解，由此可以測(cè)出啟動(dòng)子的范圍及其序列。雖然不同的啟動(dòng)子序列有所不同，但比較已經(jīng)研究過的上百種原核生物的啟動(dòng)子的序列，發(fā)現(xiàn)有一些共同的規(guī)律，它們一般長(zhǎng)40－60bp，含A桾堿基對(duì)較多，某些段落是很相似的，這些相似的保守性段落稱為共有性序列(consensus sequences)。如圖19-4所示，啟動(dòng)子一般可分為識(shí)別(R,recognition)、結(jié)合(B,binding)和起始(I, initiation)三個(gè)區(qū)段。轉(zhuǎn)錄起始第一個(gè)堿基(通常標(biāo)記位置為＋1)最常見的是A；在－10bp附近有TATAAT一組共有序列，因?yàn)檫@段共有序列是Pribnow首先發(fā)現(xiàn)的，稱為Pribnow盒(Pribnow box)；在－35bp處又有TTGACA一組共有序列 。

圖19-4　原核生物基因轉(zhuǎn)錄起始區(qū)

不同的啟動(dòng)子序列不同，與RNA聚合酶的親和力不同，啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄的頻率高低不同，即不同的啟動(dòng)子起動(dòng)基因轉(zhuǎn)錄的強(qiáng)弱不同，例如：PL、PR、P�㏕7屬?gòu)?qiáng)啟動(dòng)子，而P1ac則是較弱的啟動(dòng)。

(三)操縱子

操縱子(operator)是指能被調(diào)控蛋白特異性結(jié)合的一段DNA序列，常與啟動(dòng)子鄰近或與啟動(dòng)子序列重疊，當(dāng)調(diào)控蛋白結(jié)合在操縱子序列上，會(huì)影響其下游基因轉(zhuǎn)錄的強(qiáng)弱。以前許多書中將操縱子稱為操縱基因(operator gene)。但現(xiàn)在基因定義是為蛋白質(zhì)編碼的核酸序列，而操縱序列并不是編碼蛋白質(zhì)的基因，卻是起著調(diào)控基因表達(dá)強(qiáng)弱的作用，正如啟動(dòng)序列不叫啟動(dòng)基因而稱為啟動(dòng)子一樣，操縱序列就可稱為操縱子。以前將operon譯為操縱子則可改譯為操縱元，即基因表達(dá)操縱的單元之意。

舉乳糖操縱元中的操縱子為例，如圖19－5所示，其操縱子(o)序列位于啟動(dòng)子(p)與被調(diào)控的基因之間，部分序列與啟動(dòng)子序列重疊。仔細(xì)分析該操縱子序列，可見這段雙鏈DNA具有回文(palindrome)樣的對(duì)稱性一級(jí)結(jié)構(gòu)，能形成十字形的莖環(huán)(stem loop)構(gòu)造。不少操縱子都具有類似的對(duì)稱性序列，可能與特定蛋白質(zhì)的結(jié)合相關(guān)。

圖19-5　乳糖操縱元的P-O區(qū)及O區(qū)序列

阻遏蛋白與操縱子結(jié)合，就妨礙了RNA聚合酶與啟動(dòng)子的結(jié)合及其后β－半乳糖苷酶等基因的轉(zhuǎn)錄起始，從而阻遏了這群基因的表達(dá)。最早只把與阻遏蛋白結(jié)合、起阻遏作用的序列稱為操縱子，但其后發(fā)現(xiàn)有的操縱元中同一操縱序列與不同構(gòu)像的蛋白質(zhì)結(jié)合，可以分別起阻遏或激活基因表達(dá)的作用，阿拉伯糖操縱元中的序列就是典型的例子。因而凡能與調(diào)控蛋白特異性結(jié)合、從而影響基因轉(zhuǎn)錄強(qiáng)弱的序列，不論其對(duì)基因轉(zhuǎn)錄的作用是減弱、阻止或增強(qiáng)、開放，都可稱為操縱子。

(四)調(diào)控基因

調(diào)控基因(regulatorygene)是編碼能與操縱序列結(jié)合的調(diào)控蛋白的基因。與操縱子結(jié)合后能減弱或阻止其調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控蛋白稱為阻遏蛋白(repressive protein)，其介導(dǎo)的調(diào)控方式稱為負(fù)性調(diào)控(negativeregulation)；與操縱子結(jié)合后能增強(qiáng)或起動(dòng)調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控蛋白稱為激活蛋白(activatingprotein)，所介導(dǎo)的調(diào)控方式稱為正性調(diào)控(positive regulation)。

某些特定的物質(zhì)能與調(diào)控蛋白結(jié)合，使調(diào)控蛋白的空間構(gòu)像發(fā)生變化，從而改變其對(duì)基因錄的影響，這些特定物質(zhì)可稱為效應(yīng)物(effector)，其中凡能引起誘導(dǎo)發(fā)生的分子稱為誘導(dǎo)劑(inducer)，能導(dǎo)致阻遏發(fā)生的分子稱為阻遏劑或輔助阻遏劑(corepressor)。

例如在乳糖操縱元中，調(diào)控基因1acI位于P1ac鄰近，有其自身的啟動(dòng)子和終止子，轉(zhuǎn)錄方向和結(jié)構(gòu)基因群的轉(zhuǎn)錄方向一致，編碼產(chǎn)生由347個(gè)氨基酸組成的調(diào)控蛋白R(shí)，在環(huán)境沒有乳糖存在的情況下，R形成分子量為152000的活性四聚體，能特異地與操縱子o緊密結(jié)合，從而阻止利用乳糖的酶類基因的轉(zhuǎn)錄，所以R是乳糖操縱元的阻遏蛋白；當(dāng)環(huán)境中有足夠的乳糖時(shí)，乳糖受β－半乳糖苷酶作用轉(zhuǎn)變?yōu)閯e乳糖，別乳糖與R結(jié)合，使R的空間構(gòu)像變化，四聚體解聚成單體，失去與操縱子特異性緊密結(jié)合的能力，從而解除了阻遏蛋白的作用，使其后的基因得以轉(zhuǎn)錄合成利用乳糖的酶類。在這過程中乳糖(實(shí)際起作用的是別乳糖)就是誘導(dǎo)劑，與R結(jié)合起到去阻遏作用(derepression)，誘導(dǎo)了利用乳糖的酶類基因轉(zhuǎn)錄開放。

許多調(diào)控蛋白都是變構(gòu)蛋白(allostericprotein)，通過與上述類似的方式與效應(yīng)物結(jié)合變空間構(gòu)像，從而改變活性，起到調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)的作用。

(五)終止子

終止子(terminatorT)是給予RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄終止信號(hào)的DNA序列。在一個(gè)操縱元中至少在構(gòu)基因群最后一個(gè)基因的后面有一個(gè)終止子。

終止子按其作用是否需蛋白因子的協(xié)助至少可以分為兩類：一類是不依賴ρ因子(蛋白性終止因子)的終止子，這類終止子在序列上有一些共通的特點(diǎn)，即有一段富含GC的反向重復(fù)序列(inverted repeat sequence)，其后跟隨一段富含AT的序列(見圖19－6)，因而轉(zhuǎn)錄生成的mRNA的序列中能形成發(fā)夾式結(jié)構(gòu)，后繼一連串U，正是RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄生成的這段mRNA的結(jié)構(gòu)阻止RNA聚合酶繼續(xù)沿DNA移動(dòng)，并使聚合酶從DNA鏈上脫落下來，終止轉(zhuǎn)錄。另一類是依賴ρ因子的終止子，即其終止轉(zhuǎn)錄的作用需要ρ因子的協(xié)同，或至少是受ρ因子的影響。

圖19-6　原核生物終止子的結(jié)構(gòu)

不同的終止子的作用也有強(qiáng)弱之分，有的終止子幾乎能完全停止轉(zhuǎn)錄；有的則只是部分終止轉(zhuǎn)錄，一部分RNA聚合酶能越過這類終止序列繼續(xù)沿DNA移動(dòng)并轉(zhuǎn)錄。如果一串結(jié)構(gòu)基因群中間有這種弱終止子的存在，則前后轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的量會(huì)有所不同，這也是終止子調(diào)節(jié)基因群中不同基因表達(dá)產(chǎn)物比例的一種方式。有的蛋白因子能作用于終止序列，減弱或取消終止子的作用，稱為抗終止作用(antitermination)，這種蛋白因子就稱為抗終止因子(antiterminator)。

以上5種元件是每一個(gè)操縱元必定含有的。其中啟動(dòng)子、操縱子位于緊鄰結(jié)構(gòu)基因群的上游，終止子在結(jié)構(gòu)基因群之后，它們都在結(jié)構(gòu)基因的附近，只能對(duì)同一條DNA鏈上的基因表達(dá)起調(diào)控作用，這種作用在遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)上稱為順式作用(cis�瞐ction)，啟動(dòng)子、操縱子和終止子就屬于順式作用元件(cis�瞐cting element)。調(diào)控基因可以在結(jié)構(gòu)基因群附近、也可以遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)基因，它是通過其基因產(chǎn)物棗調(diào)控蛋白來發(fā)揮作用的，因而調(diào)控基因不僅能對(duì)同一條DNA鏈上的結(jié)構(gòu)基因起表達(dá)調(diào)控作用，而且能對(duì)不在一條DNA鏈上的結(jié)構(gòu)基因起作用，在遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)上稱為反式作用(trans�瞐ction)，調(diào)控基因就屬于反式作用元件(trans�瞐cting element)，其編碼產(chǎn)生的調(diào)控蛋白稱為反式調(diào)控因子(trans�瞐cting factor)。

由此也可窺測(cè)到，基因表達(dá)調(diào)控機(jī)理的關(guān)鍵在蛋白質(zhì)與核酸的相互作用上。

三、乳糖操縱元的表達(dá)調(diào)控

如上所述乳糖操縱元的結(jié)構(gòu)及其基因表達(dá)調(diào)控可綜合于圖19-7。

圖19-7　乳糖操縱元的結(jié)構(gòu)及調(diào)控示意圖

(一)阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)控

當(dāng)大腸桿菌在沒有乳糖的環(huán)境中生存時(shí)，1ac操縱元處于阻遏狀態(tài)。i基因在其自身的啟動(dòng)子Pi控制下，低水平、組成性表達(dá)產(chǎn)生阻遏蛋白R(shí)，每個(gè)細(xì)胞中僅維持約10個(gè)分子的阻遏蛋白。R以四聚體形式與操縱子o結(jié)合，阻礙了RNA聚合酶與啟動(dòng)子P1ac的結(jié)合，阻止了基因的轉(zhuǎn)錄起動(dòng)。R的阻遏作用不是絕對(duì)的，R與o偶爾解離，使細(xì)胞中還有極低水平的β－半乳糖苷酶及透過酶的生成。

當(dāng)有乳糖存在時(shí)，乳糖受β－半乳糖苷酶的催化轉(zhuǎn)變?yōu)閯e乳糖，與R結(jié)合，使R構(gòu)象變化，R四聚體解聚成單體，失去與o的親和力，與o解離，基因轉(zhuǎn)錄開放，β－半乳糖苷酶在細(xì)胞內(nèi)的含量可增加1000倍。這就是乳糖對(duì)1ac操縱元的誘導(dǎo)作用。

一些化學(xué)合成的乳糖類似物，不受β－半乳糖苷酶的催化分解，卻也能與R特異性結(jié)合，使R構(gòu)象變化，誘導(dǎo)1ac操縱元的開放。例如異丙基硫代半乳糖苷(isopropylthiogalactoside,IPTG)就是很強(qiáng)的誘導(dǎo)劑，不被細(xì)胞代謝而十分穩(wěn)定。X－gal(5－溴－4－氯－3－吲哚－β－半乳糖苷)也是一種人工化學(xué)合成的半乳糖苷，可被β－半乳糖苷酶水解產(chǎn)生蘭色化合物，因此可以用作β－半乳糖苷酶活性的指示劑。IPTG和X�瞘al都被廣泛應(yīng)用在分子生物學(xué)和基因工程的工作中。

圖19-8　乳糖，IPTG和X�瞘al的結(jié)構(gòu)

(二)CAP的正性調(diào)控

細(xì)菌中的cAMP含量與葡萄糖的分解代謝有關(guān)，當(dāng)細(xì)菌利用葡萄糖分解供給能量時(shí)，cAMP生成少而分解多，cAMP含量低；相反，當(dāng)環(huán)境中無(wú)葡萄糖可供利用時(shí)，cAMP含量就升高。細(xì)菌中有一種能與cAMP特異結(jié)合的cAMP受體蛋白CRP(cAMp receptor protein)，當(dāng)CRP未與cAMP結(jié)合時(shí)它是沒有活性的，當(dāng)cAMP濃度升高時(shí)，CRP與cAMP結(jié)合并發(fā)生空間構(gòu)象的變化而活化，稱為CAP(CRP�瞔AMp activated protein)，能以二聚體的方式與特定的DNA序列結(jié)合。

在1ac操縱元的啟動(dòng)子P1ac上游端有一段與Plac部分重疊的序列，能與CAP特異結(jié)合，稱為CAP結(jié)合位點(diǎn)(CApbinding site)。CAP與這段序列結(jié)合時(shí)，可增強(qiáng)RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄活性，使轉(zhuǎn)錄提高50倍。相反，當(dāng)有葡萄糖可供分解利用時(shí)，cAMP濃度降低，CRP不能被活化，1ac操縱元的結(jié)構(gòu)基因表達(dá)下降。

圖19-9　葡萄糖利用對(duì)乳糖操縱元的影響

由于P1ac是弱啟動(dòng)子，單純因乳糖的存在發(fā)生去阻遏使1ac操縱元轉(zhuǎn)錄開放，還不能使細(xì)胞很好利用乳糖，必須同時(shí)有CAP來加強(qiáng)轉(zhuǎn)錄活性，細(xì)菌才能合成足夠的酶來利用乳糖。1ac操縱元的強(qiáng)誘導(dǎo)既需要有乳糖的存在，又需要沒有葡萄糖可供利用。通過這種機(jī)制，細(xì)菌優(yōu)先利用環(huán)境中的葡萄糖，只有無(wú)葡萄糖而又有乳糖時(shí)，細(xì)菌才去充分利用乳糖。

細(xì)菌對(duì)葡萄糖以外的其他糖(如阿拉伯糖、半乳糖、麥芽糖等)的利用上也有類似對(duì)乳糖利的情況，在含有編碼利用阿拉伯糖的酶類基因群的阿拉伯糖操縱元(araoperon)、半乳糖操縱元(gal operon)中也有CAP結(jié)合位點(diǎn)，CAP也起類似的正性調(diào)控作用。所以CAP的通用名稱是分解代謝基因激活蛋白(catabolic gene activator protein)。

不難看出：CAP結(jié)合位點(diǎn)就是一種起正性調(diào)控作用的操縱子，CAP則是對(duì)轉(zhuǎn)錄起正性作用的控蛋白棗激活蛋白，編碼CRP的基因也是一個(gè)調(diào)控基因，不過它并不在1ac操縱元的附近，CAP可以對(duì)幾個(gè)操縱元都起作用。

從上所述，乳糖操縱元屬于可誘導(dǎo)操縱元(inducible operon)，這類操縱元通常是關(guān)閉的，當(dāng)受效應(yīng)物作用后誘導(dǎo)開放轉(zhuǎn)錄。這類操縱元使細(xì)菌能適應(yīng)環(huán)境的變化，最有效地利用環(huán)境能提供的能源底物。

四、色氨酸操縱元

色氨酸是構(gòu)成蛋白質(zhì)的組分，一般的環(huán)境難以給細(xì)菌提供足夠的色氨酸，細(xì)菌要生存繁殖通常需要自己經(jīng)過許多步驟合成色氨酸，但是一旦環(huán)境能夠提供色氨酸時(shí)，細(xì)菌就會(huì)充分利用外界的色氨酸、減少或停止合成色氨酸，以減輕自己的負(fù)擔(dān)。細(xì)菌所以能做到這點(diǎn)是因?yàn)橛猩�氨酸操縱元(trp operon)的調(diào)控。

(一)色氨酸操縱元的結(jié)構(gòu)與阻遏蛋白的負(fù)性調(diào)控

如圖19-10所示，合成色氨酸所需要酶類的基因E、D、C、B、A等頭尾相接串連排列組成結(jié)構(gòu)基因群，受其上游的啟動(dòng)子Ptrp和操縱子o的調(diào)控，調(diào)控基因trpR的位置遠(yuǎn)離P-o-結(jié)構(gòu)基因群，在其自身的啟動(dòng)子作用下，以組成性方式低水平表達(dá)分子量為47000的調(diào)控蛋白R(shí)。R并沒有與o結(jié)合的活性，當(dāng)環(huán)境能提供足夠濃度的色氨酸時(shí)，R與色氨酸結(jié)合后構(gòu)象變化而活化，就能夠與o特異性親和結(jié)合，阻遏結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄，因此這是屬于一種負(fù)性調(diào)控的、可阻遏的操縱元(repressible operon)，即這操縱元通常是開放轉(zhuǎn)錄的，當(dāng)有效應(yīng)物(色氨酸為阻遏劑)作用時(shí)，則阻遏關(guān)閉轉(zhuǎn)錄。細(xì)菌不少生物合成系統(tǒng)的操縱元都屬于這種類型，其調(diào)控可使細(xì)菌處在生存繁殖最經(jīng)濟(jì)最節(jié)省的狀態(tài)。

圖19-10　色氨酸操縱元的結(jié)構(gòu)和調(diào)控示意圖

(二)衰減子及其作用

實(shí)驗(yàn)觀察表明：當(dāng)色氨酸達(dá)到一定濃度，但還沒有高到能夠活化R使其起阻遏作用的程度時(shí)，產(chǎn)生色氨酸合成酶類的量已經(jīng)明顯降低，而且產(chǎn)生的酶量與色氨酸濃度呈負(fù)相關(guān)。仔細(xì)研究發(fā)現(xiàn)這種調(diào)控現(xiàn)象與色氨酸操縱元特殊的結(jié)構(gòu)有關(guān)。

圖19-11　色氨酸操縱元中的衰減子結(jié)構(gòu)及其調(diào)控示意圖

在色氨酸操縱元Ptrp-o與第一個(gè)結(jié)構(gòu)基因trpE之間有162bp的一段先導(dǎo)序列(leadingsequence,L)實(shí)驗(yàn)證明當(dāng)色氨酸達(dá)一定濃度時(shí)，RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄會(huì)終止在這里。這段序列中含有編碼由14個(gè)氨基酸組成的短肽的開放讀框，其序列中有2個(gè)色氨酸相連，在此開放讀框前有核糖體識(shí)別結(jié)合位點(diǎn)(RBS)序列，提示這段短開放讀框在轉(zhuǎn)錄后是能被翻譯的。在先導(dǎo)序列的后半段含有3對(duì)反向重復(fù)序列(圖19?1中A、B及C)，在被轉(zhuǎn)錄生成mRNA時(shí)都能夠形成發(fā)夾式結(jié)構(gòu)，但由于B的序列分別與A和C重疊，所以如果B形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，A和C都不能再形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)；相反，當(dāng)A形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)時(shí)，B就不能形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，卻有利于C生成發(fā)夾結(jié)構(gòu)。C后面緊跟一串A(轉(zhuǎn)錄成RNA就是一串U)，C實(shí)際上是一個(gè)終止子，如果轉(zhuǎn)錄mRNA時(shí)它形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，就能使RNA聚合酶停止轉(zhuǎn)錄而從mRNA上脫離下來。

圖19-12　三種不同情況下A、B、C形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)的狀態(tài)

在色氨酸未達(dá)到能起阻遏作用的濃度時(shí)，從Ptrp起始轉(zhuǎn)錄，RNA聚合酶沿DNA轉(zhuǎn)錄合成mRNA，同時(shí)核糖體就結(jié)合到新生成的mRNA核糖體結(jié)合位點(diǎn)上開始翻譯。當(dāng)色氨酸濃度低時(shí)，生成的tRNAtrp�采�氨酸量就少，能擴(kuò)散到核糖體�瞞RNA形成的翻譯復(fù)合體中供給合成短肽的幾率低，使核糖體沿mRNA翻譯移動(dòng)的速度慢，趕不上RNA聚合酶沿DNA移動(dòng)轉(zhuǎn)錄的速度，這時(shí)核糖體占據(jù)短開放讀框的機(jī)會(huì)較多，使A不能生成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，于是B就形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，阻止了C生成終止信號(hào)的結(jié)構(gòu)，RNA聚合酶得以沿DNA前進(jìn)，繼續(xù)去轉(zhuǎn)錄其后trpE等基因，trp操縱元就處于開放狀態(tài)。當(dāng)色氨酸濃度增高時(shí)，tRNAtrp�采�氨酸濃度隨之升高，核糖體沿mRNA翻譯移動(dòng)的速度加快，占據(jù)到B段的機(jī)會(huì)增加，B生成發(fā)夾結(jié)構(gòu)的機(jī)會(huì)減少，C形成終止結(jié)構(gòu)的機(jī)會(huì)增多，RNA聚合酶終止轉(zhuǎn)錄的的幾率增加，于是轉(zhuǎn)錄減弱。如果當(dāng)其他氨基酸短缺(注意：短開放讀框編碼的14肽中多數(shù)氨基酸能由環(huán)境充分供應(yīng)的機(jī)會(huì)是不多的)或所有的氨基酸都不足時(shí)，核糖體翻譯移動(dòng)的速度就更慢，甚至不能占據(jù)A的序列，結(jié)果有利于A和C發(fā)夾結(jié)構(gòu)的形成，于是RNA聚合酶停止轉(zhuǎn)錄，等于告訴細(xì)菌：“整個(gè)氨基酸都不足，即使合成色氨酸也不能合成蛋白質(zhì)，不如不合成以節(jié)省能量”。

由此可見，先導(dǎo)序列起到隨色氨酸濃度升高降低轉(zhuǎn)錄的作用，這段序列就稱為衰減子attenuator)。在trp操縱元中，對(duì)結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄阻遏蛋白的負(fù)調(diào)控起到粗調(diào)的作用，而衰減子起到細(xì)調(diào)的作用。細(xì)菌其他氨基酸合成系統(tǒng)的許多操縱元(如組氨酸、蘇氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸等操縱元)中也有類似的衰減子存在。