大肠杆菌色氨酸操纵子的调控机制
分子生物学
名词解释：1.Leading strand & Lagging strandLeading strand（前导链）：在一个复制叉上进行的DNA合成是半不连续的。
其中一股新生链的合成方向与其模板的解链方向一致，所以解链与合成可以同时进行，合成是连续的，这股新生链被称为前导链。
Lagging strand（后随链）：而另一股新生链的合成方向与其模板的解链方向相反，只能先解开一段模板，再合成一股新生链，合成是不连续的，这股新生链被称为后随链。
2.Coding strand & Template strand分子中的核苷酸序列是同DNA双链中一条脱氧核苷酸链的序列相互补，转录RNA分子的这条DNA链称为DNA的模板链，另一条链称为该基因的编码链。
Template strand（编码链）：指导正链DNA合成的DNA是负链DNA，通常称为编码链Coding strand（模板链）：指导负链DNA合成的DNA是正链DNA，通常称为模板链3.选择性剪接&编辑选择性剪接：通过加工除去初级转录产物中的内含子，连接外显子，成为成熟RNA分子，这一过程成为剪接。
选择性剪接（也叫可变剪接）是指从一个mRNA前体中通过不同的剪接方式（选择不同的剪接位点组合）产生不同的mRNA剪接异构体的过程。
编辑：编辑是指在转录后加工时改变RNA的编码序列，结果使遗传信息在转录水平时发生改变，使一个基因可以编码多种蛋白质。
4.SD序列&Kozak 序列SD序列：存在于原核生物起始密码子AUG上游7~12个核苷酸处的一种4~7个核苷酸的保守序列，它与16SrRNA3’端反向互补，所以可将mRNA的AUG起始密码子置于核糖体的适当位置以便起始翻译。
Kozak 序列：存在于真核生物mRNA的一段序列，其在翻译的起始中有重要作用，核糖体能够识别mRNA上的这段序列，并把它作为翻译起始位点。
5.操纵子&多顺反子mRNA操纵子：操纵子是原核生物绝大多数基因的表达单位，由操纵基因和受操纵基因调控的一组结构基因组成。
乳糖操纵子与色氨酸操纵子的区别
色氨酸操纵子
1、乳糖操纵子的组成：大肠杆菌乳糖操纵子含Z、Y、A三个结构基因，分别编码半乳糖苷酶、透酶和半乳糖苷乙酰转移酶，此外还有一个操纵序列O，一个启动子P和一个调节基因I。
1、色氨酸操纵子结构：色氨酸操纵子包含操BP，及5个结构基因A、、O纵基因，启动子。色与O之间有一段前导序列LEC、D、E。，编码阻遏蛋氨酸操纵子上游存在调节基因R白。
3是色氨酸；序列2-3或序列3-4可形成茎环结构。3-4茎环结构是一个转录终止子结构，称为衰减子。当色氨酸缺乏时，前导肽的翻译停滞于色氨酸密码处，序列2-3形成茎环结构，使序列3、4不能形成衰减子结构，结构基因得以完全转录；当色氨酸充足时，核糖体快速翻译前导肽，并对序列2形成约束，使序列3-4形成衰减子结构，下游的结构基因不被转录。
没有乳糖存在时，阻遏蛋白的负性调节：2、OI基因编码的阻遏蛋白结合于操纵序列处，乳糖操纵子处于阻遏状态，不能合成分解乳糖的三种酶；有乳糖存在时，乳糖作为诱导物诱导阻遏蛋白变构，不能结合于操纵序列，乳糖操纵子被诱导开放合成分解乳糖的三种酶。所以，乳糖操纵子的这种调控机制为可诱导的负调控。
2、阻遏调控：当培养基中无色氨酸时，R编码的阻遏蛋白不与O结合，结构基因表达催化合成色氨酸的酶。当培养基中有大量色氨酸时，阻遏蛋白与色氨酸结合而改变构象，形成活性阻遏物，与O结合，阻遏结构基因转录。
基因编码、协调调节：乳糖操纵子中的4I的阻遏蛋白的负调控与CAP的正调控两种机制，互相协调、互相制约。．
CAP的正性调节：在启动子上游有CAP3、结合位点，当大肠杆菌从以葡萄糖为碳源的环境转变为以乳糖为碳源的环境时，发CAPcAMP浓度升高，与CAP结合，使结合于乳糖操纵子启动序列CAP生变构，附近的聚合酶活激活CAP结合位点，RNA性，促进结构基因转录，调节蛋白结合于操纵子后促进结构基因的转录，对乳糖操纵子实行正调控，加速合成分解乳糖的三种酶。
04酶合成的阻遏和弱化实例及机制
B.协调
一般认为野生型细胞中同时存在着有 活性和无活性的阻遏物。若获得无活性阻遏 物的突变细胞，Trp合成酶的浓度就比野生 型细胞高出10倍以上。因此培养基中色氨酸 浓度的变化就会影响这两种阻遏物的平衡， 使之发生倾斜，最终发出关闭或启动Trp操 纵子的命令，从而维持细胞内色氨酸的含量。
那么细菌中为什么还需要弱化子调控系统呢？ 其原因可能是：
Trp、His等操纵子中存在弱化子，操纵子的表 达与转录起始频率以及启动子的调节关系不大，而 主要取决于弱化子的控制。RNA多聚酶要么在弱 化子处停止最终脱落下来，要么向结构基因方向通 过去。也就是当过量的终产物（氨基酸）存在时， 使细胞内有过量的对应氨基酸的氨基酰tRNA产生， 它能使已发动的转录终止在第一结构基因前。
图 2-16 Trp 弱化子 mRNA 的终止区
（二）机制 (1)转录弱化作用的调控
A.当trp缺乏时（低水平的trp 时） B. Trp浓度很高时
图 2-17 trp 操纵子的转录与翻译调控
（2）阻遏作用和弱化作用的区别与协调
A. 区别 可阻遏操纵子的表达：在无阻遏物存在时，取
决于RNA聚合酶与启动子的相互作用或启动频率， 若终产物（氨基酸）过量时，它作为辅阻遏物 （corepressor）干扰转录的发动。
微生物学
Chapter 3 微生物的代谢调节机制
二、酶合成的阻遏和弱化（终产物的 阻遏、弱化）实例及机制
(一) 实 例 (1) 转录的负控阻遏
L-色氨酸操纵子的结构
图2-14 大肠杆菌trp操纵子
Байду номын сангаас
trp operon阻遏系统——终产物的阻遏机制
图 2-15 反馈阻遏在分子水平上的作用机制
乳糖操纵子的正负调控机制
1.乳糖操纵子的正负调控机制⑴乳糖操纵子（lac）是由调节基因（lac I）、启动子（lac P）、操纵基因（lac O）和结构基因（lac Z、lac Y、lac A）组成的。
lac I 编码阻遏蛋白，lac Z、lac Y、lac A分别编码β-半乳糖苷酶，β-半乳糖苷透性酶和β-半乳糖苷转乙酰基酶。
⑵阻遏蛋白的负性调控：当培养基中没有乳糖时，阻遏蛋白结合到操纵子中的操纵基因上，阻止了结构基因的表达；当培养基中有乳糖时，乳糖（真正是异乳糖）分子和阻遏蛋白结合，引起阻遏蛋白构象改变，不能结合到操纵基因上，使RNA聚合酶能正常催化转录操纵子上的结构基因，即操纵子被诱导表达。
⑶cAMP-CAP是一个重要的正调节物质，可以与操纵上的启动子区结合，启动基因转录。
培养基中葡萄糖含量下降，cAMP合成增加，cAMP与CAP形成复合物并与启动子结合，促进乳糖操纵子的表达。
⑷协调调节：乳糖操纵子调节基因编码的阻遏蛋白的负调控与CAP的正调控两种机制，互相协调，互相制约。
2.详述大肠杆菌色氨酸操纵子的调控机理。
答：大肠杆菌色氨酸操纵子的转录受阻遏和衰减两种机制的控制，前者通过阻遏蛋白和操纵基因的作用控制转录的起始，后者通过前导序列形成特殊的空间结构控制转录起始后是否进行下去。
⑴色氨酸操纵子的可阻遏系统：在阻遏系统中，起负调控的调节基因的产物是一个无活性的阻遏蛋白，色氨酸是辅阻遏物；当色氨酸不足时，阻遏蛋白无活性，不能和操纵基因结合，色氨酸操纵子能够转录；当色氨酸充足时，阻遏蛋白和它结合而被激活，从而结合到操纵基因上，而色氨酸操纵子的操纵基因位于启动基因内，因此，活性阻遏物的结合排斥了RNA聚合酶的结合，从而抑制了结构基因的表达。
⑵色氨酸操纵子的衰减调控在色氨酸操纵子的操纵基因和第一个结构基因之间有一段前导序列，在前导序列上游部分有一个核糖体结合位点，后面是以起始密码AUG开头的14个氨基酸的编码区，编码区有两个紧密相连的色氨酸密码子，后面是一个终止密码子UGA，在开放阅读框下游有一个不依赖ρ因子的终止子，是一段富含G/C的回文序列，可以形成发夹结构，因此可以在此处终止转录。
乳糖操纵子与色氨酸操纵子的区别
色氨酸操纵子
1、乳糖操纵子的组成：大肠杆菌乳糖操纵子含Z、Y、A三个结构基因，分别编码半乳糖苷酶、透酶和半乳糖苷乙酰转移酶，此外还有一个操纵序列O，一个启动子P和一个调节基因I。
1、色氨酸操纵子结构：色氨酸操纵子包含操纵基因O，启动子P，及5个结构基因A、B、C、D、E。E与O之间有一段前导序列L。色氨酸操纵子上游存在调节基因R，编码阻遏蛋白。
4、协调调节：乳糖操纵子中的I基因编码的阻遏蛋白的负调控与CAP的正调控两种机制，互相协调、互相制约。
3、衰减调控：Ｌ中含有4段特殊序列：序列1编码一个前导肽，前导肽的第10、11位是色氨酸；序列2-3或序列3-4可形成茎环结构。3-4茎环结构是一个转录终止子结构，称为衰减子。当色氨酸缺乏时，前导肽的翻译停滞于色氨酸密码处，序列2-3形成茎环结构，使序列3、4不能形成衰减子结构，结构基因得以完全转录；当色氨酸充足时，核糖体快速翻译前导肽，并对序列2形成约束，使序列3-4形成衰减子结构，下游的结构基因不被转录。
3、CAP的正性调节：在启动子上游有CAP结合位点，当大肠杆菌从以葡萄糖为碳源的环境转变为以乳糖为碳源的环境时，cAMP浓度升高，与CAP结合，使CAP发生变构，CAP结合于乳糖操纵子启动序列附近的CAP结合位点，激活RNA聚合酶活性，促进结构基因转录，调节蛋白结合于操纵子后促进结构基因的转录，对乳糖操纵子实行正调控，加速合成分解乳糖的三种酶。
2、阻遏蛋白的负性调节：没有乳糖存在时，I基因编码的阻遏蛋白结合于操纵序列O处，乳糖操纵子处于阻遏状态，不能合成分解乳糖的三种酶；有乳糖存在时，乳糖作为诱导物诱导阻遏蛋白变构，不能结合于操纵序列，乳糖操纵子被诱导开放合成分解乳糖的三种酶。所以，乳糖操纵子的这种调控机制为可诱导的负调控。
乳糖操纵子和色氨酸操纵子
大肠杆菌乳糖操纵子包括4类基因：①结构基因，能通过转录、翻译使细胞产生一定的酶系统和结构蛋白，这是与生物性状的发育和表型直接相关的基因。
乳糖操纵子包含3个结构基因：lacZ、lacY、lacA。
LacZ合成β—半乳糖苷酶，lacY合成透过酶，lacA合成乙酰基转移酶。
②操纵基因O，控制结构基因的转录速度，位于结构基因的附近，本身不能转录成m RNA。
③启动基因P，位于操纵基因的附近，它的作用是发出信号，mRNA合成开始，该基因也不能转录成m RNA。
④调节基因i：可调节操纵基因的活动，调节基因能转录出mRNA，并合成一种蛋白，称阻遏蛋白。
操纵基因、启动基因和结构基因共同组成一个单位——操纵子（ope ron）。
调节乳糖催化酶产生的操纵子就称为乳糖操纵子。
其调控机制简述如下：抑制作用：调节基因转录出mRNA，合成阻遏蛋白，因缺少乳糖，阻遏蛋白因其构象能够识别操纵基因并结合到操纵基因上，因此RNA聚合酶就不能与启动基因结合，结构基因也被抑制，结果结构基因不能转录出m RNA，不能翻译酶蛋白。
诱导作用：乳糖的存在情况下，乳糖代谢产生别乳糖（allo Lacto se），别乳糖能和调节基因产生的阻遏蛋白结合，使阻遏蛋白改变构象，不能在和操纵基因结合，失去阻遏作用，结果RN A聚合酶便与启动基因结合，并使结构基因活化，转录出mRNA，翻译出酶蛋白。
负反馈：细胞质中有了β—半乳糖苷酶后，便催化分解乳糖为半乳糖和葡萄糖。
乳糖被分解后，又造成了阻遏蛋白与操纵基因结合，使结构基因关闭。
3、详述大肠杆菌色氨酸操纵子的调控机理。
（12分）答：大肠杆菌色氨酸操纵子的转录受阻遏和衰减两种机制的控制，前者通过阻遏蛋白和操纵基因的作用控制转录的起始，后者通过前导序列形成特殊的空间结构控制转录起始后是否进行下去。
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。
武汉大学分子生物学试题
武汉大学2001 年攻读硕士学位研究生入学考试试题一、解释概念(20 分,每个4分)1. Satellite DNA-卫星DNA,又称串联重复序列，由2~6个核苷酸组成的重复单位组成的串联重复。
2. Replisome-复制体,是指由多种复制相关蛋白组成的复合物。
3.逆转座子，指另一类能够通过逆转酶和整合酶共同作用介导转座的转座子4. 反式激活因子，一类能结合到顺式作用元件上形式激活作用的蛋白质5. 衰减子，原核生物操纵子上一段能够显著减弱或终止转录作用的核苷酸序列衰减作用，指原核生物中根据底物浓度变化来调控基因转录进程的中断与否的一种调控机制。
三、问答题(50 分)1.说出双链DNA 复制起始有关的五种重要的酶或蛋白并简述它们的功能。
(15 分)2.简述增强子的特点和性质及作用机制。
(10 分)3.简述真核RNA 聚合酶II的转录起始复合物装配过程和转录起始(15 分)4.DNA限制性内切酶EcoRI是人们熟悉的常用内切酶,它是在大肠杆菌(E.coli)R株中发现的,它被广泛用于分子克隆操作和DNA分析。
pUC质粒是常用克隆载体之一,它的多克隆位点上有EcoRI、BamHI、KpnI、HindIII 等酶切点。
假如要你把一段由EcoRI切割产生的外源DNA段克隆到pUC 质粒中,并把重组质粒转化大肠杆菌R株来扩增,已知条件是所用的R菌株中只有EcoRI一种限制性内切酶,你设计如何做才能确保成功?为什么?(10 分)武汉大学2002 年攻读硕士学位研究生入学考试试题三、问答:1、简述(或绘图说明)真核细胞RNA 聚合酶II 转录的起始需要哪些基本转录因子及其装配过程(15 分)2、简述(或绘图说明)色氨酸操纵子弱化的机制(15分)3、在讨论基因家庭时经常提到胚胎、胎儿和成体形成的蛋白质,这些述语是指什么现象?可用什么术语来描述这一类基因家族(5分)4、你正在进行Southern blot 分析,并刚刚完成凝胶电泳部分,下一步是将胶浸泡在NaOH 溶液中使DNA 变性为单链,为了节约时间,你跳过这一步,直接把DNA 从胶上转到硝酸纤维素膜上,你将标记好的探针与膜杂交,却发现放射自显影结果是一片空白,哪里错了呢?(5分)武汉大学2003 年攻读硕士学位研究生入学考试试题一、名词翻译,并简要解释(共10小题,每题4分,共40分)1. Domains and motifs 结构域和结构基序，分别指的是反式作用因子中与蛋白质和DNA分子相互作用的两种蛋白质亚基。
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大肠杆菌色氨酸操纵子的调控机制
大肠杆菌中的色氨酸操纵子是调控色氨酸合成的一个关键蛋白。
它通过调节色氨酸合成途径中相关基因的表达，控制细胞内色氨酸浓度的水平。
大肠杆菌色氨酸操纵子的调控机制包括两个主要的元件：
TyrR蛋白和反应器上的RNA聚合酶。
TyrR蛋白是一个反应器上的转录因子，它具有活化和抑制两
种不同的构象。
当细胞内色氨酸浓度低时，TyrR蛋白处于活
化构象，能够结合到DNA上的TyrR结合位点上，并激活色
氨酸合成途径中相关基因的转录，从而增加色氨酸的合成。
当细胞内色氨酸浓度高时，TyrR蛋白转变为抑制构象，无法结
合到TyrR结合位点上，使相关基因失去转录活性，从而抑制
色氨酸合成。
反应器上的RNA聚合酶是另一个关键的调控元件。
当细胞内
色氨酸浓度低时，TyrR蛋白处于活化构象，并能结合到反应
器上的RNA聚合酶结合位点上，促使RNA聚合酶结合到色
氨酸合成相关基因的启动子上，并进行转录活性。
当细胞内色氨酸浓度高时，TyrR蛋白的抑制构象使其无法结合到RNA聚合酶结合位点上，从而阻止RNA聚合酶的结合和转录活性，
抑制色氨酸合成。
综上所述，大肠杆菌色氨酸操纵子的调控机制通过TyrR蛋白
的构象形态调变和反应器上的RNA聚合酶的结合调控，根据
细胞内色氨酸浓度的水平，调控相关基因的转录活性，从而控制色氨酸合成的水平。