色氨酸（ trp ）操纵子

1. 色氨酸（trp）操纵子

2. lac 和ara操纵子是编码分解代谢途径酶系的操纵子，负责碳源（例如乳糖和阿拉伯糖等）的分解利用，这些操纵子的表达受相应碳源的诱导。 • 在细菌中还有负责一些物质合成代谢的操纵子，例如色氨酸操纵子（tryptophan operon,trp operon）就是负责色氨酸合成的操纵子。trp操纵子是由一个启动子和一个操纵基因区组成，该操纵基因区控制一个编码色氨酸生物合成需要的5种蛋白的多顺反子mRNA的表达。

3. 由于trp体系参与生物合成而不是降解，它不受葡萄糖或cAMP-CRP的调控。由于trp体系参与生物合成而不是降解，它不受葡萄糖或cAMP-CRP的调控。 • 色氨酸的合成主要分5步完成，有7个基因参与整个合成过程。trpE和trpG编码邻氨基苯甲酸合酶，trpD编码邻氨基苯甲酸磷酸核糖转移酶，trpF编码异构酶，trpC编码吲哚甘油磷酸合酶，trpA和trpB则分别编码色氨酸合酶的α和β亚基。

4. trpE基因是第一个被翻译的基因，和trpE紧邻的是启动子区和操纵区。另外，前导区和弱化子区分别定名为trpL和trpa（不是trpA）。 • trp操纵子中产生阻遏物的基因是trpR，该基因距trp基因簇很远。后者位于大肠杆菌染色体图上25分钟处，而前者则位于90分钟处。在位于65分钟处还有一个trpS（色氨酸tRNA合成酶），它与携带有色氨酸的tRNATrp共同参与trp操纵子的调控作用。

10. 弱化子 • 在trp mRNA 5' 端trpE基因的起始密码前有一个长162bp的mRNA片段被称为前导区，其中123～150位碱基序列如果缺失，trp基因表达可提高6-10倍，而且无论是在阻遏细胞内还是在永久性突变的细胞内都是这样。当mRNA合成起始以后，除非培养基中完全没有色氨酸，转录总是在这个区域终止，产生一个仅有140个核苷酸的RNA分子，终止trp基因转录，这就是123～150区序列缺失会提高trp基因表达的原因。因为转录终止发生在这一区域，并且这种终止是被调节的，这个区域就被称为弱化子。

11. 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。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。

12. 前 导 肽 • 实验表明衰减作用需要负载tRNATrp参与，这意味着前导序列的某些部分被翻译了。分析前导序列发现，它包括起始密码子AUG和终止密码子UGA；如果翻译起始于AUG，应该产生一个含有14个氨基酸的多肽。这个假设的多肽（还未实际观察到）被称为前导肽。

13. 前导序列具有一个非常有意义的特点，在其第10和第11位上有相邻的两个色氨酸密码子。这一点很重要，因为组氨酸操纵子中，也具有弱化子，也具有一个类似的能编码前导肽的碱基序列，此序列中含有7个相邻的组氨酸密码子。苯丙氨酸操纵子中同样存在弱化子结构，其前导序列中也有7个苯丙氨酸密码子。这些密码子参与了trp及其他操纵子中的转录弱化机制。前导序列具有一个非常有意义的特点，在其第10和第11位上有相邻的两个色氨酸密码子。这一点很重要，因为组氨酸操纵子中，也具有弱化子，也具有一个类似的能编码前导肽的碱基序列，此序列中含有7个相邻的组氨酸密码子。苯丙氨酸操纵子中同样存在弱化子结构，其前导序列中也有7个苯丙氨酸密码子。这些密码子参与了trp及其他操纵子中的转录弱化机制。

14. 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。

15. 转录弱化作用 • 转录的弱化理论认为mRNA转录的终止是通过前导肽基因的翻译来调节的。因为在前导肽基因中有两个相邻的色氨酸密码子，所以这个前导肽的翻译必定对tRNATrp的浓度敏感。 • 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。

16. 而当培养基中色氨酸浓度高时，核糖体可顺利通过两个相邻的色氨酸密码子，在4区被转录之前，核糖体就到达2区，这样使2-3不能配对，3-4区可以自由配对形成茎-环状终止子结构，转录停止，trp操纵子中的结构基因被关闭而不再合成色氨酸（图6-24）。所以，弱化子对RNA聚合酶的影响依赖于前导肽翻译中核糖体所处的位置。而当培养基中色氨酸浓度高时，核糖体可顺利通过两个相邻的色氨酸密码子，在4区被转录之前，核糖体就到达2区，这样使2-3不能配对，3-4区可以自由配对形成茎-环状终止子结构，转录停止，trp操纵子中的结构基因被关闭而不再合成色氨酸（图6-24）。所以，弱化子对RNA聚合酶的影响依赖于前导肽翻译中核糖体所处的位置。

23. The trp operon is negatively regulated by the Trp repressor Trp repressor binds its target DNA sequence only when it itself is bound by its co-repressor, tryptophan.

24. The trp operator is a palindromicDNA sequence

26. 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。

28. trp操纵子的另一种转录调控是称之衰减作用（attenuation）的调控机制，这是一种将翻译与转录联系在一起的新的转录调控形式。细胞内Trp-tRNATrp浓度决定核糖体是否停留在trp mRNA中的前导序列内的两个连续的色氨酸密码子处。当色氨酸水平高和Trp-tRNATrp可利用时，起转录终止作用的发卡环结构（由区3和区4之间）形成，RNA聚合酶刚好在一个聚尿嘧啶的下游处脱离DNA模板，转录终止。

29. 当由于细胞内色氨酸有限，Trp-tRNATrp水平低时，核糖体就停留在RNA中连续的一对色氨酸密码子处。核糖体这一瞬间的停留给出时间使得一种替换的发卡结构在新的RNA中（由区2和区3之间）形成，是一种抗终止的RNA结构，它破坏了转录终止信号，使得RNA聚合酶能够继续沿着DNA模板滑动完成转录。当由于细胞内色氨酸有限，Trp-tRNATrp水平低时，核糖体就停留在RNA中连续的一对色氨酸密码子处。核糖体这一瞬间的停留给出时间使得一种替换的发卡结构在新的RNA中（由区2和区3之间）形成，是一种抗终止的RNA结构，它破坏了转录终止信号，使得RNA聚合酶能够继续沿着DNA模板滑动完成转录。

31. The trp operon Attenuator TrpR (repressor) P T P O T trpR trpE trpD trpC trpB trpA mRNA Polycistronic mRNA (encodes 5 proteins) TrpR 5 separate proteins that were synthesized from one mRNA P = promoter T = terminator O = operator

32. Attenuation in the trp operon • Effectively adds a fine tuning to the regulation of the • trp operon. • Several key points: • Transcription & translation are tightly coupled in bacteria (attenuation requires this). • Synthesis of a leader sequence rich in Trp influences whether transcription of the trp operon is complete. • If [Trp] is adequate transcription is terminated before the trp operon. • If [Trp] is inadequate transcription is completed. • Termination of transcription is determined by leader mRNA sequence.

33. Attenuation – a transcriptional form of control Leader polypeptide 14 aa with 2 Trp aa trpE 1 110 140 162 mRNA leader sequence Attenuator Typical stem loop of Termination site

34. Attenuation 1 2 3 4 mRNA • mRNA sections • base pairs with 2 • base pairs with 4 • ONLY 3 + 4 generate • the termination site Trp codons 1 2 3 4

35. Attenuation – Inadequate [Trp] 1 2 3 4 mRNA This large stem loop of 2 + 3 does NOT act as a terminator. Transcription continues!! Ribosome stalls due to low [Trp] 2 3 1 4 Trp codons RNA polymerase

36. Attenuation – Adequate [Trp] 1 2 3 4 mRNA Ribosome moves Rapidly along mRNA • mRNA sections • base pairs with 4 to • form a termination site, • such that RNApolymerase • prematurely falls off the • mRNA and aborts further • transcription. 1 3 4

37. Attenuation works by have the RNA polymerase stop (terminate) before the transcription of the structural genes, but AFTER it has already started to make an RNA. • The key is the region of the operon called trpL (see the figures above).

42. The trp operon of E. coli

43. In tryptophan-poor medium

44. In tryptophan-rich medium

45. 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).

46. 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:

48. E. coli Promoters consensus TATA (Pribnow) box

50. Allosteric Effectors Binding can also be required for binding of repressor (e.g. Trp) or can block an activator.