色氨酸操纵子 -英文讲义
大肠杆菌色氨酸操纵子的调控机制
大肠杆菌色氨酸操纵子的调控机制引言大肠杆菌（Escherichia coli）是一种常见的肠道细菌，它在人体内起着重要的生理功能。
色氨酸操纵子是大肠杆菌中一个关键的调控元件，它参与了细菌的代谢、生长和适应环境的能力。
了解大肠杆菌色氨酸操纵子的调控机制对于理解细菌的生物学过程和疾病治疗有重要意义。
色氨酸操纵子的定义和功能色氨酸操纵子是一种位于大肠杆菌基因组中的DNA序列，它可以调控与色氨酸代谢相关的基因的表达。
色氨酸操纵子包含了一个调控基因（trpR）和一个运算子（trpO），它们共同作用来调控目标基因的转录。
色氨酸操纵子的功能是在感知到环境中色氨酸浓度的变化时，调节色氨酸代谢相关基因的表达水平。
当环境中色氨酸浓度低时，色氨酸操纵子会激活目标基因的转录，从而增加色氨酸的合成。
相反，当环境中色氨酸浓度高时，色氨酸操纵子会抑制目标基因的转录，减少色氨酸的合成。
色氨酸操纵子的结构色氨酸操纵子由调控基因trpR和运算子trpO组成。
调控基因trpR编码了一个调控蛋白，它能够结合到运算子trpO上。
运算子trpO是一个DNA序列，在大肠杆菌基因组中有多个重复出现的副本。
调控基因trpR编码的调控蛋白是一个重要的调节因子。
它由约100个氨基酸组成，具有DNA结合结构域和调节功能结构域。
DNA结合结构域使得调控蛋白能够与运算子trpO结合，而调节功能结构域则决定了调控蛋白的活性。
色氨酸操纵子的调控机制色氨酸操纵子的调控机制涉及到调控蛋白和运算子之间的相互作用。
当环境中色氨酸浓度低时，调控蛋白与运算子结合的亲和力降低，从而使得目标基因的转录得到激活。
这种调控蛋白与运算子结合的亲和力降低的机制可能与调控蛋白的构象变化有关。
当环境中色氨酸浓度高时，调控蛋白与运算子结合的亲和力增加，从而抑制目标基因的转录。
这种调控蛋白与运算子结合的亲和力增加的机制可能与调控蛋白的构象变化有关。
除了色氨酸浓度的变化外，其他因素也可以影响色氨酸操纵子的调控。
色氨酸操纵子的调节机制
色氨酸操纵子的调节机制
1 综述
调节子是一种重要的非编码RNA，它能够影响某些遗传因素的表达，以及影响细胞的重要的活力。
研究发现，锌指标蛋白（Zinc-finger）
是调节子的一类关键调节因子，它们能够通过稳定色氨酸的操纵子的
形状，从而调节基因的表达。
2 锌指标蛋白结构
锌指标蛋白由一系列的胞质结构元件组成，其中一部分是“锌指
标肽”，它们可以通过位于其结构中的坚硬的硫氰酸酸基双根亚基（cysteine）来结合Cys2和Cys3类氨基酸。
每个锌指标肽都有一个
正负电荷，当它们结合在一起时，它们会形成由三个双根氨基酸
（Cys2、Cys2和Cys3）组成的三者环。
当锌结合到这一结构，它会结
合到这些色氨酸的活性的硫氰酸双根，这也是锌指标蛋白机制的核心。
3 锌指标蛋白所介导的调节作用
由锌指标蛋白组成的这种三者环可以穿过细胞膜，与某种特定的
活性蛋白或调节因子一起结合。
锌指标蛋白耦合的蛋白主要有DNMT、HP1和RNA聚合酶等等。
这种结合可以抑制或促进某些基因的表达，或者它可以引发一系列的信号传导和生化反应。
此外，锌指标蛋白还可
以激活其他调控基因的表达，从而影响细胞的活力。
4 结论
锌指标蛋白是一种重要的调节子，它可以通过其特有的结构来调节细胞里一系列重要的生物过程。
它能够稳定色氨酸的操纵子形状，从而调节基因表达，从而影响到细胞的活力和功能。
色氨酸(trp)操纵子讲述
All three share negative control features, using repressor proteins binding to operators to place ; state. The first two have positive control features that increase transcription in response to low glucose (CAP-cAMP binding to the CAP site). This is not the case for the tryptophan operon. The tryptophan operon, however, has the additional negative control feature of attenuation. These features are summarized in the following table:
The trp operator is a palindromic
DNA sequence
trp操纵子转录的调控是通过Trp阻遏物实现的，它结 合于trp操纵基因序列 ，但Trp阻遏物的DNA结合活性 直接受色氨酸调控，色氨酸结合Trp阻遏物，并起着 一个效应分子的作用（也称之辅阻遏物）。
在有高浓度色氨酸存在时，Trp阻遏物-色氨酸复合物 形成一个同源二聚体，并且紧密结合于trp操纵基因 序列，因此可以阻止转录。然而当色氨酸水平低时， 缺少色氨酸的Trp阻遏物以一种非活性形式存在，不 能结合DNA。在这样的条件下，trp操纵子被RNA聚 合酶转录，同时色氨酸生物合成途径被激活。
mRNA前导区的序列分析
trp前导区的碱基序列已经全部测定，引人注目的是 其中4个分别以1、2、3和4表示的片段能以两种不同 的方式进行碱基配对（图6-22），有时以1-2和3-4配 对 ， 有 时 只 以 2-3 方 式 互 补 配 对 。 RNaseT1 降 解 实 验 （此酶不能水解配对的RNA）表明，纯化的trp前导 序列中确有1-2和3-4的配对方式，由此定位的3-4配对 区正好位于终止密码子的识别区，当这个区域发生破 坏自我配对的碱基突变时有利于转录的继续进行。
色氨酸操纵子调控机制
色氨酸操纵子调控机制色氨酸操纵子（tryptophan operon）是一种常见的基因调控机制，通过控制色氨酸合成途径中的基因表达，实现对细胞内色氨酸水平的调节。
色氨酸作为一种重要的氨基酸，在生物体内发挥着重要的生理功能。
本文将介绍色氨酸操纵子的结构和功能，以及其在细胞生理过程中的调控机制。
色氨酸操纵子是一种典型的原核生物基因调控结构，通常由一系列连续的基因组成，这些基因编码着色氨酸合成途径中的关键酶。
色氨酸操纵子的基因通常被分为两类：结构基因和调控基因。
结构基因编码色氨酸合成途径中的酶，包括色氨酸合成酶、色氨酸降解酶等。
调控基因编码着色氨酸操纵子的调控蛋白，包括操纵子的启动子、运算子和抑制子等。
色氨酸操纵子的启动子是调控基因中的一个重要元件，它位于结构基因的上游区域。
启动子序列的特异结合蛋白能够识别并结合到启动子上，从而调控基因的转录起始。
当细胞内色氨酸水平较低时，启动子上的结合蛋白与启动子结合，阻止RNA聚合酶的结合和转录起始的进行，从而抑制结构基因的表达。
而当细胞内色氨酸水平升高时，色氨酸与结合蛋白结合，使其从启动子上解离，使得RNA聚合酶能够结合并开始转录。
这样一来，结构基因的表达就会增加，从而增加色氨酸的合成量。
除了启动子，色氨酸操纵子还包括一个运算子和一个抑制子。
运算子是一段DNA序列，位于启动子和结构基因之间，起到调控基因表达的中介作用。
运算子上结合了一个运算子结合蛋白，该蛋白能够识别细胞内色氨酸的浓度，并通过与运算子的结合来调控调控基因的表达。
当细胞内色氨酸水平较低时，运算子结合蛋白与运算子结合，从而抑制调控基因的表达。
而当细胞内色氨酸水平升高时，色氨酸与运算子结合蛋白结合，使其从运算子上解离，从而促进调控基因的表达。
抑制子是另一个重要的调控元件，它位于操纵子的末端。
抑制子上结合了一个抑制子结合蛋白，该蛋白能够识别细胞内色氨酸的浓度，并通过与抑制子的结合来调控调控基因的表达。
当细胞内色氨酸水平较高时，色氨酸与抑制子结合蛋白结合，使其从抑制子上解离，从而抑制调控基因的表达。
第2节 色氨酸操纵子
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 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
Leader peptide
夹结构 / 富含 C G
U 的单链末端 C G
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)
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。
02色氨酸操纵子的调控模式
1．trp操纵子的阻遏系统 ▪ trpR基因突变常引起trp mRNA的永久型合成，该
▪ 另有一个缺失前导区及D基因的突变体 （trpΔLD102），该细菌在有色氨酸的培养 基中仍有很高的色氨酸合成酶活性。
TrpΔED53中L不缺失（弱化子存在）， trpΔLD102中L缺失（弱化子不存在），缺失前 导区后的表达比有前导区的表达要高得多，充分 说明trp操纵子的表达调控除阻遏作用外，还受到 前导区的影响，失去了这个因素就失去了一个调 控机制。
二、 色氨酸操纵子的调控模式
▪ 色氨酸操纵子(tryptophane operon)负责色氨酸的生物 合成，当培养基中有足够的色氨酸时，这个操纵子自 动关闭，缺乏色氨酸时操纵子被打开，trp基因表达， 色氨酸或与其代谢有关的某种物质在阻遏过程（而不 是诱导过程）中起作用。由于trp体系参与生物合成而 不是降解，它不受葡萄糖或cAMP-CAP的调控。
▪ 当培养基中色氨酸的浓度很低时，负载有色氨酸的 tRNATrp也就少，这样翻译通过两个相邻色氨酸密 码子的速度就会很慢，当4区被转录完成时，核糖 体才进行到1区（或停留在两个相邻的trp密码子 处），这时的前导区结构是2-3配对，不形成3-4配 对的终止结构，所以转录可继续进行，直到将trp操 纵子中的结构基因全部转录。
▪ 细菌中为什么要有弱化子系统呢？ 一种可能是阻遏物从有活性向无活性的转变速度极 低，需要有一个能更快地做出瓜的系统，以保持培 养基中适当的色氨酸水平。或者，弱化子系统主要 是对外源色氨酸浓度做出反应。外源色氨酸浓度很 低的信号虽然足以引起trp操纵子的去阻遏作用，但 是这个信号还不足以很快引发内源色氨酸的合成。 在这种环境下，弱化子就通过抗终止的方法来增加 trp基因表达，从而提高内源色氨酸浓度。
色氨酸操纵子名词解释
色氨酸操纵子名词解释
色氨酸操纵子是指一种由深色素组成的特定细胞结构，在生物学中主要存在于某些脊椎动物的皮肤、毛发、羽毛、角质和眼睛等部位。
它们也被称为"操纵素"或"生成色素"，是由氨基酸色氨酸合成的一类抗氧化剂。
色氨酸操纵子的产生是由于色氨酸氧化酶（tyrosinase）的存在和活性。
色氨酸氧化酶是一种酶类，存在于生物体的皮肤细胞中，它通过催化氧化反应，将氨基酸色氨酸转化为操纵子。
色氨酸操纵子的合成和分泌受到多种因素的调控，如遗传因素、荷尔蒙、细胞因子等。
在生物学中，色氨酸操纵子具有重要的生理功能和生物学意义。
它们在动物中非常常见，可以起到多种作用，如色彩诱惑、保护和伪装、社会标记和交流等。
色氨酸操纵子的产生和表达能够影响生物的体色、皮肤颜色和羽毛色彩等外观特征，对动物的适应生存和繁殖具有重要的意义。
此外，色氨酸操纵子还与一些疾病和病理变化相关。
例如，黑色素瘤是一种由皮肤中的黑色素母细胞发展而来的恶性肿瘤，其中操纵子的
异常积累可能导致黑色素瘤的发生。
因此，对于色氨酸操纵子的研究在医学和生物学领域具有重要的意义，有助于深入了解其产生机制、调控途径以及与身体功能和疾病发展之间的关系。
色氨酸操纵子
色氨酸操纵子色氨酸是构成蛋白质的组分，一般的环境难以给细菌提供足够的色氨酸，细菌要生存繁殖通常需要自己经过许多步骤合成色氨酸，但是一旦环境能够提供色氨酸时，细菌就会充分利用外界的色氨酸、减少或停止合成色氨酸，以减轻自己的负担。
细菌这种对色氨酸利用的调节是通过色氨酸操纵子（trp operon）来实现的。
一、色氨酸操纵子的结构与阻遏蛋白的负性调控色氨酸操纵子的结构与乳糖操纵子相似，结构基因由合成色氨酸所需要酶类的基因E、D、C、B、A等头尾相接串连排列组成，结构基因上游为启动子P trp 和操纵序列O，不过其调控基因trpR的位置远离P-O-结构基因群，在其自身的启动子作用下，以组成性方式低水平表达其编码分子量为47KD的调控蛋白R。
点击后看大图色氨酸操纵子是属于一种负性调控的、可阻遏的操纵子。
以组成性方式低水平表达的阻遏蛋白R并不具有与O结合的活性，只有当环境能提供足够浓度的色氨酸时，R与色氨酸结合后构象变化，才能够与操纵序列O特异性亲和结合，阻遏结构基因的转录。
因此这类操纵子通常是开放转录的，有效应物（色氨酸为阻遏剂）作用时则关闭转录。
细菌不少生物合成系统的操纵子都属于这种类型，其调控可使细菌处在生存繁殖最经济最节省的状态。
二、衰减子及其作用实验观察表明：当色氨酸达到一定浓度、但还没有高到能够活化R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受转录衰减（attenuation)机制的调节。
在色氨酸操纵子P trp-O与第一个结构基因trpE之间有一段162bp的前导序列构成衰减子区域（attenuator region)，研究证明当色氨酸有一定浓度时，RNA 聚合酶的转录会终止在这里。
这段序列能够编码14个氨基酸的短肽，其中有2个色氨酸相连，在此编码区前有核糖体识别结合位点（RBS）序列，提示这段短序列在转录后是能被翻译的。
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9
10
4 Leader RNA structure
4 complentary sequences named sequence 1,2,3,4 from different base-paired structure 1:2; 2:3; 3:4 only 3:4 hairpin form terminator
14
6 Attenuation in the trp operon
Effectively adds a precise adjustment to the regulation of the trp operon. Several key points: 1. Transcription & translation are tightly coupled in bacteria (attenuation requires this). 2. translation can occur as an mRNA is being transcribed .
4
P = promoter T = terminator O = operator
The trp operon
trpR （separate promotor and terminator ） trp promotor (-10 and -35) trp operator ,active repressor binding site trpL ,162bp ,containing an attenuator five structural gene E,D,C,B,A ,but only one polycistronic
2
Байду номын сангаас
Key notes
1 2 3 4 5 6 7 8 the tryptophan operon the trp repressor the attenuator leader RNA structure the leader peptide attenuation importance of attenuation operon summary
11
The leader mRNA of E. coli
12
5 The leader peptide
14 AA leader peptide 10th and 11th condons encode 2 successive tryptophan residues as Trp is a rare amino acid ,the ribosonme would be expected to pause at this site
5
2
the trp repressor
a gene product of the trpR operon a dimer of 2 subunits inactive itself specifically interacts with the operator site only binding co-repressor trp binding the palindrome
1 3 4
2
CACCAUGCGUAAAGCAAUCAGAUACCCAGCCCGCCUAAUGAGCGGGCUUUU Met-Gln-Thr-Gln-Lys-Pro UUUU-GAACAAAAUUAGAGAAUAACA-AUG-CAA-ACA-CAA-AAA-CCG trpE . . . Terminator
L2 THE TRP OPERON
lecturer :Hongyang Wang major :Developmental Biology tutor :Hongtao Li
1
Difference
off usually active repressor inducer turn on when lac as a carbon source on usually inactive repressor co-repressor turn off when trp is high
13
The Trp Leader peptide
Met-Lys-Ala-Ile-Phe-ValAAGUUCACGUAAAAAGGGUAUCGACA-AUG-AAA-GCA-AUU-UUC-GUALeu-Lys-Gly-Trp-Trp-Arg-Thr-Ser-STOP CUG-AAA-GGU-UGG-UGG-CGC-ACU-UCC-UGA-AACGGGCAGUGUAUU
6
The trp repressor
调节区
trpR RNA聚合酶 RNA聚合酶 O P RNA聚合酶 RNA聚合酶
结构基因
Trp 低时
mRNA
Trp 高时 Trp
At first ,it was thought the repressor was responsible for all the transcriptional regulation of the trp operon . However ,it was observed that the deletion of a sequence between the operator and trpE resulted in an increase in both the basal and the activated levels of transcription . There must be another transcription regulation
3
1 The trp operon
TrpR (repressor) P leader PO
trpR
mRNA
T
trpE trpD trpC trpB trpA
Polycistronic mRNA (encodes 5 proteins)
T
TrpR 5 separate proteins that were synthesized from one mRNA
8 Operon summary
We have considered in detail three operons: the lac operon, the ara operon, and the trp operon. The first two are operons concerned with the control of catabolic processes (utilization of energy substrates) while the third is concerned with anabolic processes (synthesis of a molecule the cell needs).
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Transcription And Translation In Prokaryotes
5’ 3’
3’
5’
RNA Pol.
Ribosome
mRNA
5’
Ribosome
16
17
Double regulation
repressor--------whether to start transcribing as a rough regulation attenuator-------whether to continue to transcribe after starting transcription as a precise regulation
18
7 Importance of attenuation
10-fold repression 700-fold regulation combined with repressor occurs in at least 6 operons ie His a more preciser regulation transcription regulation by translation as feedback regulation
21
22
23
20
All three share negative control features, using repressor proteins binding to operators to place the operon in the "off" state. The first two have positive control features that increase transcription in response to low glucose (CAP-cAMP binding to the CAP site). This is not the case for the tryptophan operon. The tryptophan operon, however, has the additional negative control feature of attenuation. These features are summarized in the following table:
8
3
The attenuator
towards the end of the leader sequence precedes the trpE initiator codon a short GC-rich palindrome followed by 8 successive U residues . able to form a hairpin structure in RNA transcript