大學(xué)生物遺傳學(xué)基因的表達(dá)與調(diào)控(上)原核基因表達(dá)調(diào)控模式

1、第六章 基因的表達(dá)與調(diào)控(上) 原核基因表達(dá)調(diào)控模式61 原核基因表達(dá)調(diào)控總論62 乳糖操縱子與負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)63 色氨酸操縱子與負(fù)控阻遏系統(tǒng)64 轉(zhuǎn)錄后調(diào)控原核生物暴露在環(huán)境中，食物供應(yīng)無(wú)保障，只有根據(jù)環(huán)境條件的改變合成各種不同的蛋白質(zhì)，使代謝過(guò)程適應(yīng)環(huán)境的變化，才能維持自身的生存和繁衍。它有一套準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)基因表達(dá)和蛋白質(zhì)合成的機(jī)制。如果每個(gè)基因等同翻譯，每一個(gè)多肽應(yīng)有相同的拷貝數(shù)。結(jié)論是否定的，基因的表達(dá)是被控制的。有些蛋白質(zhì)的數(shù)目相當(dāng)固定，另一些則變化很大；50種核糖體蛋白數(shù)量十分穩(wěn)定。糖酵解體系的酶數(shù)目也極恒定。DNA聚合酶、RNA聚合酶等代謝過(guò)程中十分必需的酶或蛋白質(zhì)（組成型合成蛋白）

2、的合成速率不受環(huán)境變化或代謝狀態(tài)的影響。而另一種類型則被稱為適應(yīng)型或調(diào)節(jié)型(adaptive or regulated)，這類蛋白質(zhì)的合成速率明顯地受環(huán)境的影響而改變。例如，一般情況下，一個(gè)大腸桿菌細(xì)胞中只有15個(gè)分子的-半乳糖苷酶，但若將細(xì)胞培養(yǎng)在只含乳糖的培養(yǎng)基中，每個(gè)細(xì)胞中這個(gè)酶的量可高達(dá)幾萬(wàn)個(gè)分子。其他參與糖代謝的酶，氨基酸、核苷酸合成系統(tǒng)的酶類，其合成速度和總量都隨培養(yǎng)條件的變化而改變。細(xì)菌中的基本調(diào)控機(jī)制有如下規(guī)律:一個(gè)體系在需要時(shí)被打開，不需要時(shí)被關(guān)閉。這種“開-關(guān)”(on-off)活性是通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄來(lái)建立的，即通過(guò)調(diào)節(jié)mRNA的合成來(lái)實(shí)現(xiàn)的。一個(gè)系統(tǒng)處于“off”狀態(tài)時(shí)可能是本

3、底水平的基因表達(dá)，常常是每世代每個(gè)細(xì)胞合成12個(gè)mRNA分子和極少量的蛋白質(zhì)分子。必須明白所謂“關(guān)”實(shí)際的意思是基因表達(dá)量特別低，或者無(wú)法檢測(cè)。61 原核基因表達(dá)調(diào)控總論生物的遺傳信息是以基因的形式儲(chǔ)藏在細(xì)胞內(nèi)的DNA(或RNA)分子中的。隨著個(gè)體的發(fā)育，DNA有序地將遺傳信息，通過(guò)轉(zhuǎn)錄和翻譯的過(guò)程轉(zhuǎn)變成蛋白質(zhì)，執(zhí)行各種生理生化功能，完成生命的全過(guò)程。從DNA到蛋白質(zhì)的過(guò)程，叫做基因表達(dá)(gene expression)，對(duì)這個(gè)過(guò)程的調(diào)節(jié)就稱為基因表達(dá)調(diào)控(gene regulation或gene control)?；蛘{(diào)控是現(xiàn)階段分子生物學(xué)研究的中心課題。要了解動(dòng)、植物生長(zhǎng)發(fā)育的規(guī)律、形態(tài)結(jié)

4、構(gòu)特征和生物學(xué)功能，就必須弄清楚基因表達(dá)調(diào)控的時(shí)間和空間概念。 基因表達(dá)調(diào)控在兩個(gè)水平上體現(xiàn) (1)轉(zhuǎn)錄水平上的調(diào)控(transcriptional regulation); (2)轉(zhuǎn)錄后水平上的調(diào)控(post-transcriptional regulation)，包括mRNA加工成熟水平上的調(diào)控(differential processing of RNA transcript);翻譯水平上的調(diào)控(differential translation of mRNA)。對(duì)于原核生物，以營(yíng)養(yǎng)狀況(nutritional status)和環(huán)境因素(environmental factor)為主要的

5、基因表達(dá)影響因素。在真核生物尤其是高等真核生物中，激素水平(hormone level)和發(fā)育階段(developmental stage)是基因表達(dá)調(diào)控的最主要手段，而營(yíng)養(yǎng)和環(huán)境因素的影響力大為下降。在轉(zhuǎn)錄水平上對(duì)基因表達(dá)調(diào)控取決于DNA的結(jié)構(gòu)、RNA聚合酶的功能、蛋白因子及其他小分子配基的相互作用。6.1.1 原核基因調(diào)控機(jī)制的類型與特點(diǎn)原核生物的基因調(diào)控主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平上，根據(jù)調(diào)控機(jī)制的不同可分為負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控(negative transcription regulation)和正轉(zhuǎn)錄調(diào)控(Positive transcription regulation)。負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)在負(fù)轉(zhuǎn)錄調(diào)控系

6、統(tǒng)中，調(diào)節(jié)基因的物質(zhì)是阻遏蛋白(repressor)阻止結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄。其作用部位是操縱區(qū)。它與操縱區(qū)結(jié)合，轉(zhuǎn)錄受阻。負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)阻遏蛋白不與誘導(dǎo)物結(jié)合時(shí)，阻遏蛋白與操縱區(qū)相結(jié)合，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄，阻遏蛋白結(jié)合上誘導(dǎo)物時(shí)，阻遏蛋白與操縱區(qū)分離，結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄。負(fù)控阻遏系統(tǒng)阻遏蛋白與效應(yīng)物結(jié)合時(shí)，結(jié)構(gòu)基因不轉(zhuǎn)錄。正轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)在正轉(zhuǎn)錄調(diào)控系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)基因的產(chǎn)物是激活蛋白(activator)，激活蛋白結(jié)合與DNA的啟動(dòng)子及RNA聚合酶后，轉(zhuǎn)錄才會(huì)進(jìn)行。在正控誘導(dǎo)系統(tǒng)中，誘導(dǎo)物的存在使激活蛋白處于活性狀態(tài)，轉(zhuǎn)錄進(jìn)行。在正控阻遏系統(tǒng)中，效應(yīng)物分子的存在使激活蛋白處于非活性狀態(tài)，轉(zhuǎn)錄不進(jìn)行。細(xì)菌中的轉(zhuǎn)錄調(diào)控

7、系統(tǒng)可誘導(dǎo)調(diào)節(jié)基因在特殊物質(zhì)的作用下，由原來(lái)關(guān)閉的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榛罨癄顟B(tài)稱為誘導(dǎo)調(diào)節(jié)。大腸桿菌在只含乳糖的培養(yǎng)基中開始時(shí)生長(zhǎng)不好；等合成了利用乳糖的一系列酶，具備了利用乳糖作為碳源的能力時(shí)又開始生長(zhǎng)。怎樣獲得這一能力的：在誘導(dǎo)物乳糖的誘導(dǎo)下開動(dòng)了乳糖操縱子，表達(dá)它所編碼的3個(gè)酶。這3個(gè)酶使細(xì)菌可以利用乳糖作為碳源。象乳糖操縱子這類基因就是可誘導(dǎo)基因，這類酶被稱為誘導(dǎo)酶，這個(gè)生化過(guò)程被稱為酶的誘導(dǎo)合成?？勺瓒粽{(diào)節(jié)基因平時(shí)是開啟的，處在產(chǎn)生蛋白質(zhì)的工作過(guò)程中，由于一些特殊代謝物或化合物的積累而將其關(guān)閉，阻遏了基因的表達(dá)。比如大腸桿菌生活中必須有色氨酸，一般情況下，該操縱子開啟，生產(chǎn)色氨酸合成酶基因表達(dá)

8、正常。如果在細(xì)菌培養(yǎng)基中加入色氨酸，細(xì)菌可利用它來(lái)維持生活而不需要再合成，細(xì)菌就在2-3min內(nèi)關(guān)閉該操縱子。某一代謝途徑最終產(chǎn)物合成酶的基因可以被這個(gè)產(chǎn)物本身所關(guān)閉。這種基因被稱為可阻遏基因，這些酶被稱為可阻遏酶，這個(gè)現(xiàn)象被稱為可阻遏現(xiàn)象，這些起阻遏作用的小分子被稱為阻遏物?？烧T導(dǎo)的操縱子是一些編碼分解代謝糖和氨基酸的蛋白的基因。這些糖和氨基酸平時(shí)含量很少，細(xì)菌并不分解利用它們，而是利用一般的能源物質(zhì)葡萄糖的水解來(lái)提供能源，因此，這些操縱子常常是關(guān)閉的。一旦生存條件發(fā)生變化，如葡萄糖缺乏而必須利用乳糖作為能源時(shí)，就要打開這些基因?？勺瓒艋蛩鼈兪且恍┖铣筛鞣N細(xì)胞代謝過(guò)程中所必須的小分子物質(zhì)(

9、如氨基酸、嘌呤和嘧啶等)的基因，由于這類物質(zhì)在生命過(guò)程中的重要地位，這些基因總是打開著的。只有當(dāng)細(xì)菌生活環(huán)境中有充分供應(yīng)時(shí)，才關(guān)閉這些基因，停止其合成。弱化子對(duì)基因活性的影響在這種調(diào)節(jié)方式中，起信號(hào)作用的是有特殊負(fù)載的氨酰-tRNA的濃度，在色氨酸操縱子中就是色氨酰-tRNA的濃度。當(dāng)操縱子被阻遏，RNA合成被終止時(shí)，起終止轉(zhuǎn)錄信號(hào)作用的那一段DNA序列被稱為弱化子。當(dāng)基因轉(zhuǎn)錄使轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物（RNA）到不同長(zhǎng)度時(shí)，核糖體會(huì)在對(duì)應(yīng)的DNA位置上；此時(shí)RNA可以形成某種形式的二級(jí)結(jié)構(gòu)；由此決定延伸復(fù)合物的結(jié)合能力，從而決定基因能否繼續(xù)轉(zhuǎn)錄。細(xì)菌的應(yīng)急反應(yīng)細(xì)菌有時(shí)會(huì)碰到緊急狀況，比如氨基酸饑餓氨基酸的全

10、面匱乏。為了緊縮開支，渡過(guò)難關(guān)，細(xì)菌會(huì)產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)急反應(yīng)停止包括生產(chǎn)各種RNA、糖、脂肪和蛋白質(zhì)的幾乎全部生物化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。實(shí)施這一應(yīng)急反應(yīng)的信號(hào)是鳥苷四磷酸(ppGpp)和鳥苷五磷酸(pppGpp)。產(chǎn)生這兩種物質(zhì)的誘導(dǎo)物是空載tRNA。當(dāng)氨基酸饑餓時(shí)，細(xì)胞中便存在大量的不帶氨基酸的tRNA，這種空載的tRNA會(huì)激活焦磷酸轉(zhuǎn)移酶，使ppGpp大量合成。ppGpp的出現(xiàn)會(huì)關(guān)閉許多基因，以應(yīng)付這種緊急狀況。 ppGpp 影響RNA聚合酶與這些基因轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)的結(jié)合，使基因被關(guān)閉。ppGpp與pppGpp的作用范圍十分廣泛，它們影響一大批操縱子而被稱為超級(jí)調(diào)控因子。62 乳糖操縱子負(fù)控誘導(dǎo)系統(tǒng)6.2

11、.1 操縱子: 操縱子模型是與特殊代謝途徑有關(guān)的基因轉(zhuǎn)錄的協(xié)同調(diào)控模型。操縱子是基因表達(dá)和調(diào)控的單元，典型的操縱子包括:結(jié)構(gòu)基因：編碼那些在某一特定的生物合成途徑中起作用的、其表達(dá)被協(xié)同調(diào)控的酶。調(diào)控元件：如操縱序列，是調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)基因轉(zhuǎn)錄的一段DNA序列。調(diào)節(jié)基因：其產(chǎn)物能夠識(shí)別調(diào)控元件，例如阻抑物，可以結(jié)合并調(diào)控操縱基因序列。622 乳糖操縱子大腸桿菌能利用乳糖作為碳源，而利用乳糖作為碳源的酶只有當(dāng)乳糖成為惟一的碳源時(shí)才會(huì)被合成。大腸桿菌乳糖操縱子(lactose operon)包括3個(gè)結(jié)構(gòu)基因:Z、Y和A。這三個(gè)結(jié)構(gòu)基因被同一個(gè)轉(zhuǎn)錄單元lacZYA所編碼，它有一個(gè)啟動(dòng)子Plac。乳糖操縱子的

12、這三個(gè)結(jié)構(gòu)蛋白是作為一個(gè)多順?lè)醋拥膍RNA一起表達(dá)的。lacZYA轉(zhuǎn)錄單元含有一個(gè)操縱基因位點(diǎn)0lac，它位于Plac啟動(dòng)子5端的-5至+21之間。該位點(diǎn)可被乳糖阻抑物相結(jié)合。當(dāng)該蛋白結(jié)合到操縱基因上時(shí)，便成為轉(zhuǎn)錄的強(qiáng)抑制物。乳糖阻抑物被一個(gè)獨(dú)立的調(diào)節(jié)基因lac I所編碼，lac I也是乳糖操縱子的一部分;lac I位于Plac的上游。lacZ編碼-半乳糖苷酶，它可以將乳糖水解為半乳糖和葡萄糖。lacY編碼半乳糖苷透性酶，它能將乳糖運(yùn)送透過(guò)細(xì)菌的細(xì)胞壁。lacA編碼硫代半乳糖苷乙酰轉(zhuǎn)移酶。lacI基因編碼乳糖阻抑物，當(dāng)以同亞基四聚體形式存在對(duì)具有活性。它對(duì)于lac操縱序列結(jié)合位點(diǎn)0lac具有很

13、強(qiáng)的親和力，并且對(duì)DNA也有較高的親和力。Zac操縱序列位點(diǎn)由具有回文結(jié)構(gòu)的28bp堿基組成 (回文結(jié)構(gòu)是指當(dāng)一條鏈以5到3的順序從左向右讀對(duì)其DNA序列與它的互補(bǔ)鏈也以5至3的方向從右向左讀時(shí)完全相同)。操縱序列的這種反向重復(fù)對(duì)稱正好與由四個(gè)相同亞基組成的乳糖阻抑物的內(nèi)部對(duì)稱相匹配。當(dāng)乳糖缺乏時(shí)，阻抑物占據(jù)了操縱序列的結(jié)合位點(diǎn)， RNA聚合酶不能通過(guò)操縱序列。乳糖阻抑物和RNA聚合酶能夠同時(shí)結(jié)合到乳糖啟動(dòng)子和操縱序列位點(diǎn)上。乳糖阻抑物使聚合酶結(jié)合到乳糖啟動(dòng)子上的能力增加了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)乳糖阻抑物結(jié)合到0lac操縱序列上時(shí)，聚合酶是結(jié)合到相鄰的Plac啟動(dòng)子序列上的，只是不能通過(guò)之。當(dāng)缺少誘導(dǎo)

14、物時(shí)，乳糖阻抑物阻礙了幾乎全部的lacZYA的轉(zhuǎn)錄而使之保持很低的轉(zhuǎn)錄水平。將乳糖加入細(xì)胞中后，細(xì)胞本身所含的低量的透性酶使它能吸收乳糖，-半乳糖苷酶則催化一些乳糖轉(zhuǎn)化為異乳糖。異乳糖可以作為誘導(dǎo)物結(jié)合到乳糖阻抑物上。從而引起阻抑物四聚體構(gòu)象的變化，從而降低其對(duì)乳糖操縱序列的親和力，乳糖阻抑物從操縱序列上脫離下來(lái)可以使聚合酶 (已經(jīng)位于鄰近的啟動(dòng)子上)迅速開始lacZYA基因的轉(zhuǎn)錄。因此，加入乳糖或合成誘導(dǎo)物如異丙基-D-硫代半乳糖苷(IPTG)能非常迅速地刺激乳糖操縱子結(jié)構(gòu)基因的轉(zhuǎn)錄。若隨后將誘導(dǎo)物清除掉則會(huì)導(dǎo)致誘導(dǎo)性轉(zhuǎn)錄的立即終止，這是因?yàn)橛坞x的乳糖阻抑物會(huì)立即重新占據(jù)操縱序列上的位點(diǎn)，而

15、lac ZYA RNA的轉(zhuǎn)錄物是極不穩(wěn)定的。Plac啟動(dòng)子不是強(qiáng)啟動(dòng)子。其原因是Plac及其相關(guān)的啟動(dòng)子沒(méi)有強(qiáng)的-35序列，其中一些甚至只有弱的-10的共有序列。為了實(shí)現(xiàn)高水平的轉(zhuǎn)錄，它們需要一種特定的激活蛋白即cAMP受體蛋白(CRP)的活化。cAMP即環(huán)式AMP，其在生物表達(dá)調(diào)控過(guò)程中起著重要作用。葡萄糖的降解代謝會(huì)抑制一些操縱子的轉(zhuǎn)錄。cAMP在細(xì)胞中的增加對(duì)這些操縱子的轉(zhuǎn)錄是有利的。葡萄糖降解物能抑制細(xì)胞內(nèi)cAMP產(chǎn)生。這是因?yàn)锳TP是cAMP的直接代謝前體，擔(dān)任這種轉(zhuǎn)化的酶是腺苷酸環(huán)化酶(adenylcyclase)，此酶受葡萄糖代謝降解物的直接抑制從而造成cAMP不能產(chǎn)生。CRP也

16、可稱為分解代謝激活蛋白或CAP是以以二聚體形式存在的。當(dāng)葡萄糖存在時(shí)，大腸桿菌不需要像乳糖這樣的替代碳源。因此代謝操縱子如乳糖操縱子通常不被激活。原因是當(dāng)葡萄糖存在時(shí)會(huì)降低細(xì)胞內(nèi)cAMP的水平， CRP自身不能獨(dú)立與DNA結(jié)合；當(dāng)葡萄糖缺乏時(shí)，大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)cAMP水平上升，CRP結(jié)合到cAMP上。CRP-cAMP復(fù)合物可結(jié)合到緊鄰RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)上游的乳糖操縱子的啟動(dòng)子Plac上游。能使DNA雙螺旋發(fā)生彎曲，有利于形成穩(wěn)定的開放型啟動(dòng)子-RNA聚合酶結(jié)構(gòu)，使轉(zhuǎn)錄效率提高50倍。而阻遏物則是一個(gè)抗解鏈蛋白(antimeltingpmte五n)，阻止形成開放結(jié)構(gòu)，從而抑制RNA聚合酶的功能。

17、lac 操縱子小結(jié)通常情況（葡萄糖供應(yīng)正常）阻遏蛋白與操縱序列結(jié)合，基因不轉(zhuǎn)錄。細(xì)胞外的乳糖通過(guò)透性酶吸收到細(xì)胞內(nèi)；細(xì)胞內(nèi)的-半乳糖苷酶將乳糖轉(zhuǎn)變?yōu)楫惾樘?。異乳糖結(jié)合到乳糖阻抑物上使之從操縱序列上脫離，聚合酶迅速開始lacZYA基因的轉(zhuǎn)錄。這就是負(fù)控誘導(dǎo)。然而，還需要細(xì)菌生長(zhǎng)系統(tǒng)中缺少葡萄糖，使cAMP含量增加，才有足夠量的cAMP與CRP結(jié)合形成CRP-cAMP復(fù)合物結(jié)合于Plac上游。使DNA雙螺旋發(fā)生彎曲，轉(zhuǎn)錄才可以有效地進(jìn)行。6.3 色氨酸操縱子與負(fù)控阻遏系統(tǒng)色氨酸操縱子包括色氨酸合成途經(jīng)中相關(guān)的5個(gè)結(jié)構(gòu)基因。該操縱子編碼一個(gè)轉(zhuǎn)錄單元，即從色氨酸啟動(dòng)子Ptrp和操縱基因位點(diǎn)Otrp向下

18、游轉(zhuǎn)錄出7kb的轉(zhuǎn)錄物。像許多涉及氨基酸生物合成的操縱子一樣，色氨酸操縱子也具有當(dāng)細(xì)胞內(nèi)缺乏生物合成途徑所需的色氨酸時(shí)，可使這些基因協(xié)同表達(dá)的進(jìn)化系統(tǒng)。色氨酸阻抑物獨(dú)立的操縱子trpR編碼的產(chǎn)物-色氨酸阻抑物，能與色氨酸操縱子的操縱基因位點(diǎn)特異性相互作用。操縱基因序列是色氨酸阻抑物的結(jié)合位點(diǎn)。操縱基因序列有部分對(duì)稱序列。操縱基因的部分對(duì)稱序列與色氨酸啟動(dòng)子序列在-21和+3堿基之間重疊。中心結(jié)合區(qū)是18個(gè)堿基的回文結(jié)構(gòu)。色氨酸阻抑物能結(jié)合色氨酸并且只有當(dāng)它與色氨酸結(jié)合形成復(fù)合物后才能結(jié)合到操縱基因上。阻抑物是含有兩個(gè)亞基的二聚體。這一阻抑物二聚體含有一個(gè)中心區(qū)域和兩個(gè)靈活的DNA解讀頭部 (D

19、NA-reading head)，這兩個(gè)解讀頭部分別由一個(gè)亞基的羧基端形成。只有當(dāng)色氨酸結(jié)合到阻抑物上時(shí)，這些解讀頭部才會(huì)處于證確的距離，側(cè)鏈才會(huì)處于正確的構(gòu)象從而與色氨酸操縱基因的DNA連續(xù)的大溝相互作用 ，這樣色氨酸操縱子所編碼的酶的終產(chǎn)物，即色氨酸才可作為共阻抑物起作用，并且通過(guò)終產(chǎn)物抑制自身的合成。該阻抑物將轉(zhuǎn)錄的起始減少了大約70倍。弱化子色氨酸操縱子對(duì)轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控與阻抑物有關(guān)。另外，如果在操縱基因和trpE基因編碼序列之間的一段序列缺失，會(huì)導(dǎo)致基本轉(zhuǎn)錄水平和活化 (解阻抑)-轉(zhuǎn)錄水平的上升。該段序列稱為弱化子，它位于trpE起始密碼子前面162nt的轉(zhuǎn)錄前導(dǎo)序列的123150位。

20、弱化子是一個(gè)不依賴因子的終止子區(qū)城，在一小段富含GC的回文結(jié)構(gòu)之后是8個(gè)連續(xù)的U殘基。如果這段序列能在RNA轉(zhuǎn)錄物中形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)，就可以作為一個(gè)高效的轉(zhuǎn)錄終止子，因而只有14Obp的轉(zhuǎn)錄物被合成。如果弱化子缺失，轉(zhuǎn)錄將被通讀，結(jié)構(gòu)基因?qū)⒈晦D(zhuǎn)錄。前導(dǎo)RNA結(jié)構(gòu)色氨酸操縱子RNA的前導(dǎo)序列含有4個(gè)序列互補(bǔ)區(qū)，能形成不同的堿基配對(duì)的RNA結(jié)構(gòu)。它們被稱為序列1、2、3和4。弱化子發(fā)夾結(jié)構(gòu)是序列3和4配對(duì)的產(chǎn)物 (3:4結(jié)構(gòu))。序列1和2也是互補(bǔ)的，能形成另一個(gè)發(fā)夾結(jié)構(gòu)1:2。然而序列2還和序列3互補(bǔ)。如果序列2和3形成2:3發(fā)夾結(jié)構(gòu)，3:4弱化子發(fā)夾結(jié)構(gòu)就不能形成，轉(zhuǎn)錄就不會(huì)終止。在正常情況下，1:

21、2和3:4發(fā)夾結(jié)構(gòu)的形成在能量上是有利的。前導(dǎo)肽前導(dǎo)RNA序列中含有一個(gè)有效的核糖體結(jié)合位點(diǎn)并能形成由前導(dǎo)RNA 2768號(hào)堿基所編碼的14個(gè)氨基酸的前導(dǎo)肽。這段前導(dǎo)肽的第10和第11個(gè)密碼子編碼連續(xù)的色氨酸殘基。色氨酸是稀有氨基酸；通常兩個(gè)色氨酸密碼子連續(xù)出現(xiàn)的可能性很小，在色氨酸含量很低的情況下核糖體將會(huì)在這個(gè)位點(diǎn)停滯。前導(dǎo)肽的作用就是決定色氨酸的含量并控制轉(zhuǎn)錄的終止。弱化作用大腸桿菌中，翻譯在mRNA邊轉(zhuǎn)錄時(shí)邊進(jìn)行。色氨酸前導(dǎo)肽編碼序列的3端與互補(bǔ)序列1重疊，兩個(gè)色氨酸密碼子都在序列1內(nèi)，終止密碼子在序列1和2之間。由于色氨酸 (色氨酸操縱子合成的酶的最終產(chǎn)物)是翻譯過(guò)程中所必需的，因此

22、細(xì)胞對(duì)它的含量很敏感，它決定了在mRNA中終止子(3:4)發(fā)夾結(jié)構(gòu)是否形成。在色氨酸操縱子轉(zhuǎn)錄進(jìn)行的過(guò)程中，RNA聚合酶在序列2的末端停滯直到核糖體開始翻譯前導(dǎo)肽（即當(dāng)前導(dǎo)肽開始翻譯時(shí)，RNA聚合酶才又繼續(xù)沿DNA模板鏈前進(jìn)合成RNA）。在色氨酸含量很高的情況下，核糖體迅速在兩個(gè)色氨酸密碼子處插入色氨酸，這樣翻譯可直達(dá)前肽導(dǎo)末端。核糖體封閉了序列2，當(dāng)RNA聚合酶把3區(qū)和4區(qū)轉(zhuǎn)錄出來(lái)時(shí)，3:4發(fā)夾得以形成，當(dāng)RNA聚合酶到達(dá)終止序列時(shí)，由于3:4發(fā)夾使轉(zhuǎn)錄可能被終止。這一過(guò)程被稱為弱化作用。另一種情況是:如果色氨酸缺乏時(shí)，翻譯過(guò)程中將缺少其氨酰tRNA，核糖體將在兩個(gè)色氨酸密碼子上滯留，封閉了

23、序列1。這使得序列2能自由地與序列3形成發(fā)夾結(jié)構(gòu)（即抗終止子）。終止子 (3:4)發(fā)夾結(jié)構(gòu)不能形成，轉(zhuǎn)錄繼續(xù)到trpE及其下游。因此終產(chǎn)物色氨酸含量的高低決定了轉(zhuǎn)錄是提早終止 (弱化)，還是繼續(xù)轉(zhuǎn)錄完整個(gè)操縱子。弱化的重要性依靠弱化作用，色氨酸的存在就使色氨酸操縱子的轉(zhuǎn)錄被抑制了10倍。與色氨酸阻抑物的作用 (70倍)合在一起，這就意味著色氨酸水平對(duì)色氨酸操縱子的表達(dá)施加了700倍的調(diào)節(jié)效果。在六種與氨基酸的生物合成相關(guān)的操縱子中有弱化作用。例如his操縱子含有編碼一個(gè)有連續(xù)7個(gè)組氨酸密碼子的多肽的前導(dǎo)序列。并不是所有這些操縱子都像色氨酸操縱子那樣有協(xié)同調(diào)控。例如his操縱子就沒(méi)有阻抑物-操縱

24、基因調(diào)控，弱化作用是其惟一的反饋調(diào)控機(jī)制。64 轉(zhuǎn)錄后調(diào)控基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控是生物最經(jīng)濟(jì)的調(diào)控方式既然是用不著某種蛋白質(zhì)，其mRNA由于用不著就不必轉(zhuǎn)錄。但轉(zhuǎn)錄生成mRNA以后，再在翻譯或翻譯后水平進(jìn)行微調(diào)，是對(duì)轉(zhuǎn)錄調(diào)控的補(bǔ)充，它使基因表達(dá)的調(diào)控更加適應(yīng)生物本身的需求和外界條件的變化。641 翻譯起始的調(diào)控遺傳信息翻譯成多肽鏈起始于而mRNA上的核糖體結(jié)合位點(diǎn)(RBS)。所謂RBS，是指起始密碼子AUG上游的一段非翻譯區(qū)。在RBS中有SD(Shine-Dalg-arno)序列，長(zhǎng)度一般為5個(gè)核苷酸，富含 G、A，該序列與核糖體16SrRNA的3端互補(bǔ)配對(duì)，促使核糖體結(jié)合到mRNA上，有利于翻譯的起始。RBS的結(jié)合強(qiáng)度取決于SD序列的結(jié)構(gòu)及其與起始密碼AUG之間的距離。SD與AUG之間相距一般以4-10個(gè)核苷酸為佳，9個(gè)核苷酸最佳。mRNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)是翻譯起始調(diào)控的重要因素。 mRNA 5端合適的空間結(jié)構(gòu)有利于核糖體的30 S亞基與之相結(jié)合。SD序列的微小變化，往往會(huì)導(dǎo)致表達(dá)效率上百倍甚至上千倍的差異，這是由于核苷酸的變化改變了形成mRNA 5端二級(jí)結(jié)構(gòu)的自由能，影響了核糖體30 S亞基與mRNA的結(jié)合，從而造成了蛋白質(zhì)合成效率上的差異。