第2节 色氨酸操纵子
原核表达调控与色氨酸操纵子优秀课件
1、不依赖于ρ因子的终止子（强终止子）
• 结构特点：RNA具有一个发夹结构（富含GC） 和随后polyU片段。
• 作用机制：RNA pol + 发夹结构 → 转录暂停→ 后随杂合分子不稳定的poly(U-dA) → RNA容易 从模板上脱落→RNA-DNA-RNA pol 解聚 → 转 录终止
-10
+1
+10
stream
start point
downstream
一、转录的起始
• 关键：全酶能以很高的亲和性结合在启 动子promoter ；
• 启动子：RNA聚合酶识别、结合并起始 转录的一段DNA序列。
转录的起始
• 核心酶在σ因子帮助下特异性结合到DNA上； • RNA pol与启动子-35 box 结合，形成封闭型起
RNA polymerase
holoenzyme and
DNA
a promoter
Incorporating the first few Nt
二、原核生物转录的延伸
• RNA pol沿着模板链移动，RNA链不断延伸， 并保持三元复合物的结构；
• 转录泡中的DNA螺旋前开、后合，RNA延长， 不断脱离DNA；
• RNA的转录包括promotion，elongation， termination 三过程；
• 从promoter到terminator称为transcriptional unit； • 原核生物中的转录单位多为 polycistron ； • 转录起始点记为+1，其上游记为负值，下游记为正值。
第2节 色氨酸操纵子
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
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
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
特点:
(1) trpR和trpABCDE不连锁；
(2) 操纵基因在启动子内
(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
二、trp 操纵子的阻遏系统
trpR trpP trpO trpE trpD trpC trpB trpA
魔斑 I
魔斑 II
细菌的应急反应
细菌有时会碰到紧急状况，比如氨基酸饥饿－
氨基酸的全面匮乏。为了紧缩开支，渡过难关，
细菌会产生一个应急反应－－停止包括生产各种
RNA、糖、脂肪和蛋白质的几乎全部生物化学
反应过程。
实施这一应急反应的信号是鸟苷四磷酸(ppGpp) 和鸟苷五磷酸(pppGpp)。产生这两种物质的诱
导物是空载tRNA。
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)
色氨酸的调节
色氨酸操纵子的调控机制
色氨酸操纵子的调控机制
色氨酸操纵子是指色氨酸在细胞内的代谢产物，包括色氨酸代谢途径的中间产物和终产物。
色氨酸操纵子具有多种重要的生物学功能，例如调节细胞生长、分化和免疫应答等。
色氨酸操纵子的调控机制涉及多个层面的控制，包括转录调控、翻译调控和后转录调控等。
一、转录调控：色氨酸操纵子的活性主要由转录因子的结合与调控相关。
色氨酸操纵子酶的基因通过转录因子的结合来调控其表达水平。
转录因子可以具有促进或抑制基因转录的作用。
二、翻译调控：色氨酸操纵子的翻译调控主要通过mRNA的
翻译水平来实现。
翻译调控可以通过调节mRNA的稳定性、
启动子的选择性剪切和转运，以及调节与转运复合物的互作等方式实现。
此外，一些非编码RNA也可以通过与特定mRNA
结合来调控其翻译水平。
三、后转录调控：在色氨酸操纵子的后转录调控中，重要的方式是通过非编码RNA调控色氨酸操纵子的稳定性和降解。
例如，微小RNA（miRNA）和长非编码RNA（lncRNA）可以
通过与mRNA结合形成RNA-RNA复合物，从而调控mRNA
的稳定性和降解速率。
总之，色氨酸操纵子的调控机制是一个复杂的网络，涉及到多个层面和多个调控因子的参与。
这一调控机制对于维持细胞内
色氨酸操纵子代谢平衡以及正常生物学功能的发挥起着重要的作用。
色氨酸操纵子
色氨酸操纵子
色氨酸基因结构图
色氨酸是构成蛋白质的部分，一般的环境难以给细菌提供足够的氨基酸，细菌要生存繁殖通常需要自己经过许多步骤合成色氨酸，但是环境一旦提供色氨酸，细菌就会充分利用外界的色氨酸，减少或停止合成色氨酸。
做到这一点是通过色氨酸操纵子来调控的。
色氨酸调控机制
1.色氨酸操纵子的结构与阻遏蛋白的负调控
如图所示：在调控色氨酸合成的结构基因上游有一个操纵基因trpR ●在低色氨酸浓度时，trpR控制的阻遏蛋白无活性，下游的结构基
因可正常转录翻译。
●在高色氨酸浓度时，trpR控制的阻遏蛋白具有活性。
能与trpO特
异性结合，阻遏结构基因的转录。
从而阻遏体内的色氨酸合成。
2.衰减子的作用
当色氨酸达到一定程度，但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，靠着衰减子来调控。
如图所示：在高色氨酸时，trp mRNA在第一个trp E基因开始转录之前即停止生长。
低色氨酸时，mRNA正常转录。
这是因为在色氨酸操纵元trp O与第一个结构基因trp E 之间有一段前导序列。
高色氨酸时转录就会停止在这里。
如图所示：
在低浓度色氨酸条件下，2-3形成发卡结构，不含有U区域，不会形成终止子结构，不会停止转录，继续转录翻译形成色氨酸在高浓度色氨酸条件下，3-4会形成发卡结构，含有U区域，形成终止子结构，停止转录，阻遏色氨酸的合成。
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。
色氨酸操纵子结构特点
色氨酸操纵子结构特点
色氨酸操纵子（Tryptophan Operon）是一种在细菌中常见的基
因调控系统，它控制了色氨酸的合成。
色氨酸操纵子包括一系列基
因和调控元件，通过这些元件的相互作用，细菌可以根据环境中色
氨酸的浓度来调节色氨酸的合成。
首先，色氨酸操纵子的结构特点包括调控元件和结构基因。
调
控元件包括启动子、操纵子和终止子。
启动子位于操纵子的上游，
包含RNA聚合酶结合位点，用于启动转录过程。
操纵子包括操纵子
运算子和操纵子启动子，它可以通过结合共同调控蛋白来调节结构
基因的转录。
终止子位于结构基因的下游，用于终止转录过程。
结
构基因包括色氨酸合成途径的关键酶基因，如trpE、trpD、trpC、trpB和trpA。
其次，色氨酸操纵子的调控机制是其重要特点之一。
当环境中
的色氨酸浓度低时，操纵子运算子上的共同调控蛋白结合到操纵子上，阻止结构基因的转录，从而促使细菌启动色氨酸的合成途径。
而当环境中的色氨酸浓度高时，共同调控蛋白无法结合到操纵子上，结构基因得以转录，从而减少色氨酸的合成。
此外，色氨酸操纵子的调控还受到其他代谢产物的影响，如核苷酸和核苷酸衍生物。
这些代谢产物可以通过不同的途径影响共同调控蛋白的活性，从而间接影响色氨酸的合成。
总的来说，色氨酸操纵子结构特点包括调控元件和结构基因，其调控机制受到色氨酸浓度以及其他代谢产物的影响。
这些特点使得细菌能够根据环境的需要来调节色氨酸的合成，从而适应不同的生长条件。
色氨酸操纵子与负控阻遏系统
被称为适应性表达基因，或被称为奢侈基因
基因的表达调控方式
➢ 基因水平的调控
➢ 转录水平的调控
➢ 转录产物加工的调控
➢ 翻译水平的调控以及翻译后的加工等
原核基因表达调控分类
根据调控机制： 负转录调控 调节基因编码阻遏蛋白，阻止结构基因转 录 分为负控诱导，负控阻遏 正转录调控 调节基因编码激活蛋白，促进结构基因转 录。 分为正控诱导，正控阻遏
鼠伤寒沙门氏菌中已陆续发现不少操纵子都有弱化
致转录终止。当色氨酸浓度较低时，TRAP失活，转录可以继
现象。 弱化子(attenuator)是指原核生物操纵子中能显著 减弱甚至终止转录作用的一段核苷酸序列，该区域
续，结构基因得以表达。另外枯草杆菌对未负荷色氨酸的 tRNATrp也很敏感，后者大量堆积，会诱导合成抗TRAP 蛋白 （anti -PRAP,AT）。AT与Trp激活的PRAP结合，可以取消其 转录终止活性。trpG表达也受PRAP调控，活化的TRAP与和
空 白 演 示 水平可提高6倍。研究发现，当mRNA开始合成后，
除非培养基中完全不含色氨酸，否则转录总是在这 个区域终止，产生一个仅有140个核苷酸的RNA分
养基中Trp 浓度很低时，负载有Trp 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，核糖体滞留1区，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。反之，核
不受葡萄糖或cAMP-CAP的调控。
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弱化子
弱化作用
是在研究大肠杆菌的色氨酸操纵子表达弱化现象 中发现的。在trp mRNA 5，端trp正基因的起始密 码前有一个长162 bp的DNA序列称为前导区，其
第八章-原核生物基因的表达调控-2
调控结构：启动子、操纵子、前导序列、弱化子； 调控结构：启动子、操纵子、前导序列、弱化子； 阻遏物trpR基因：与trp操纵子相距较远； 基因： 操纵子相距较远； 阻遏物 基因 操纵子相距较远
• 2.色氨酸操纵子的负调控： 色氨酸操纵子的负调控： 色氨酸操纵子的负调控
阻遏调控： ⑴. 阻遏调控： trpR基因编码无辅基阻遏物 基因编码无辅基阻遏物 与色氨酸 结合 形成有活性的色氨酸阻遏物 与操作 阻止转录； 子结合 阻止转录； 色氨酸不足： 色氨酸不足：阻遏物三维空间结构发生变 不能与操作子结合，操纵元开始转录； 化 ，不能与操作子结合，操纵元开始转录； 色氨酸浓度升高：色氨酸与阻遏物结合， 色氨酸浓度升高：色氨酸与阻遏物结合， 空间结构发生变化，可与操作子结合， 空间结构发生变化，可与操作子结合，阻止转 录。
另一方面，若外源色氨酸浓度实在太低， 另一方面，若外源色氨酸浓度实在太低，细 菌本身又没有其他的内源性色氨酸合成体系， 菌本身又没有其他的内源性色氨酸合成体系， 以致细菌难以支持自身的生长时， 以致细菌难以支持自身的生长时，就需要有衰 减体系加以调节——通过不终止 通过不终止mRNA的合成 减体系加以调节 通过不终止 的合成 来增加Trp酶的合成从而提高内源色氨酸的浓 酶的合成从而提高内源色氨酸的浓 来增加 度。
就像在色氨酸操纵子中， 就像在色氨酸操纵子中，阻遏作用与衰减机制 一起协同控制其基因表达， 一起协同控制其基因表达，显然比单一的阻遏 负调控系统更为有效。 负调控系统更为有效。 一方面， 一方面，当有活性的阻遏物向无活性阻遏 物的转变速度极低时．衰减系统能更迅速地作 物的转变速度极低时． 出反应， 出反应，使色氨酸从较高浓度快速下降到中 等浓度；色氨酸密码子时 由于 如缺乏色氨酸， 如缺乏色氨酸 没有色氨酰tRNA的供应 停留在该密码子位置， 没有色氨酰 的供应 停留在该密码子位置，位 于区段1 使区段2与区段 与区段3配对 区段4无对应序 于区段 使区段 与区段 配对 区段 无对应序 聚合酶通过弱化子， 列配对呈单链状态 RNA聚合酶通过弱化子，继续向 聚合酶通过弱化子 前移动，转录出完整的多顺反子序列。 前移动，转录出完整的多顺反子序列。
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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。
SOS反应
DNA
Lex A阻遏蛋白
操纵序列
Rec A 激活紫外线Fra bibliotekSOS基因
基因 表达 与DNA 损伤修复有 关的酶和蛋白质
细菌有时会碰到紧急状况，比如氨基酸饥饿－ 氨基酸的全面匮乏。为了紧缩开支，渡过难关， 细菌会产生一个应急反应－－停止包括生产各种 RNA、糖、脂肪和蛋白质的几乎全部生物化学 反应过程。
实施这一应急反应的信号是鸟苷四磷酸(ppGpp) 和鸟苷五磷酸(pppGpp)。产生这两种物质的诱 导物是空载tRNA。
重点
乳糖操纵子的调控机理 色氨酸操纵子的调控机理
第三节 应急反应
一、严谨反应与核糖体合成的调控
概念：严谨反应（stringent response) 是指细菌生长在不良营养条件下时，由于 缺乏任何一种氨基酸等因素所导致的蛋白 质合成突然下降, tRNA合成突然停止等一 系列反应。
细菌的应急反应
RNA聚合酶
Trp 低时
结构基因
mRNA
Trp 高时
Trp
色氨酸操纵子
三、trp 操纵子的弱化机制
衰减子（attenuator）/弱化子 前导序列（leader sequence）
1、衰减子：DNA中可导致转录过早终止的一段核甘 酸序列（123-150区）。
123~150
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。
魔斑 I 魔斑 II
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
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。
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。
调节区
trpR
PO
前导序列
前导mRNA
1
2
结构基因
衰减子区域
3
4
UUUU……
trp 密码子 终止密码子
1
2 第141a0a、前1导1密肽码编子码UU为区Ut:Ur包…p密含…U码序U子U列U1……衰减子结构
邻氨基苯 吲哚甘油 色氨酸合成酶 甲酸合成酶 硼酸合成酶
TrpE terpD trpC trpB trpA t
t’
启动子 操纵基因
前导顺序 衰减子
pppN26AUGAAAGCAAUUUUCGUACUGAAGGUUGGUGGCGCACUUCCUGAN43A UUUUUUUU 富含 G-C 的发 G C
2
3
UUUU……
形成发夹结构能力强弱：
3
4
序列1/2>序列2/3>序列3/4
前导DNA
转录衰减机制
前导mRNA
1 5’
核糖体
RNA聚合酶
UUUU 3’
衰减子结构
就是终止子
4 可使转录 终止
3
2
34
UUUU 3U’UUU……
前导肽
trp 密码子
1.当色氨酸浓度高时
前导DNA 前导mRNA
Trp合成酶系相关 结构基因被转录
吲哚甘油 硼酸合成酶
色氨酸合成酶
β链
α链
60，000 60，000
4 5，000 50，000 29，000
POl a
trpE
trpD
P
trpC
trpB
trpA
t
t’
1560
1620
1353
1191
804 36
P：起动子；O：操纵子； l：前导序列； a：衰减子； t,t’ ：终止子 图 16-15 E.coli trpO 的结构及其产物所催化的色氨酸合成反应
蛋白 TrpR(无活性)
高Trp时： 阻遏物+Trp 结合操纵基因
活化的 阻遏蛋白
阻遏物
(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)
色氨酸的调节
转录衰减
调节区
trpR RNA聚P合酶O
特点:
(1) trpR和trpABCDE不连锁；
(2) 操纵基因在启动子内 (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
二、trp 操纵子的阻遏系统
低Trp时： 阻遏物不结合 操纵基因;
trpR
trpP trpO trpE trpD trpC trpB trpA