乳糖操纵子和阿拉伯糖操纵子讨论的都是分解代谢类操纵子表达的调控，而色氨酸操纵子则是一个合成代谢操纵子。这个操纵子包括五个结构基因，分别编码邻氨基苯甲酸合成酶Ⅱ和Ⅱ（trpE和trpD）、吲哚甘油磷酸酯合成酶（trpC）、色氨酸合成酶B和A（trpB和trpA）。这些酶依次把分枝酸转变为邻氨基苯甲酸、N-5′-磷酸核糖邻氨基苯甲酸、N-5′-磷酸-1′-脱氧核酮糖邻氨基苯甲酸、引哚甘油磷酸酯和色氨酸。整个操纵子转录的mRNA长7 000个核苷酸，这个多顺反子trp mRNA的转录保证了五种功能相关酶的同步和适量合成。Trp mRNA的转录约需4 min，然后很快降解，它的“生存时间”只有3 min。这种快速周转使细菌对色氨酸的需要能做出非常快的反应。大肠杆菌调节trp酶生物合成产率的效力极强，变动幅度可达700倍。
色氨酸操纵子的调节有两个途径，第一个途径是由色氨酸操纵子的调节基因trp R编码一种特殊的阻遏物，它和色氨酸一起与操纵基因trp O结合，能阻断整个操纵子中五个结构基因的表达。trp R编码的R蛋白分子量为58 000，单独不能和trp O结合，只有当细胞内有较多的色氨酸时，R蛋白先和色氨酸结合，才能紧密地和trp O的DNA特定序列相结合。在这个调控系统中，色氨酸是一种协阻遏物（corepressor）。色氨酸和阻遏蛋白R的复合物在DNA上的结合靶位序列如下，画线部分是回文序列：
这个区段和促进子trpP是部分重叠的，所以复合物与trpO的结合也同时阻止了RNA聚合酶的转录起始。这个调控系统与乳糖操纵子有相似之处，值得注意的是在这个系统中由整个反应系列的最终产物色氨酸以协阻遏物的形式参与对操纵子中第一个酶的表达阻遏。这一点是多数合成代谢操纵子调控的关键（图4-5）。
这种反馈式调控系统发现不久，亚诺夫斯基等分离到一种色氨酸合成的组成型突变，从而发现了一种全新的调控系统。这种组成型突变型细胞在色氨酸过剩的情况下能继续合成色氨酸，如果去除培养基中的色氨酸，合成速率还可增加10倍。显然这是和阻遏蛋白R的结构变异有关的。不久，亚诺夫斯基又分离到另一种突变型，它在色氨酸冗余积累时仍能以最高的速率来合成色氨酸操纵子的mRNA。核苷酸序列分析证明这是一个缺失突变，突变型细胞缺失了介于trp O和第一个结构基因trp E之间的一段DNA。
图4-5 色氨酸生物合成的第一种调控模式（引自K.Sano和K.Matsu）
（a）色氨酸浓度低时；（b）色氨酸浓度高时
trp-mRNA的5′端分析表明，在trp E的第一个密码子的前面有一段由162个碱基组成的前导序列。超表达组成突变型缺失的DNA就位于前导序列的后半段，即trp E前方的30～60个碱基对区段。亚诺夫斯基假设这一段DNA的作用是减弱trp-mRNA的合成，称为弱化子（attenuator）。缺失弱化子的细胞就出现trP-mRNA超水平合成的异常表型。那么，前导序列的其余部分起什么作用呢？
有关这个问题的另一个重要发现是在野生型细胞中发现了两种不同的trpmRNA，一种是细胞内色氨酸缺乏时合成的，长度为7 000个核苷酸左右，另一种主要是在色氨酸冗余时合成的，只有130个核苷酸，即前导序列前部的130个碱基对的转录产物。据此，亚诺夫斯基认为前导序列后部的30个核苷酸是转录终止序列，即弱化子区段。与一般的转录终止信号序列一样，色氨酸操纵子的弱化子也有一个G—C富集段和一个A—T富集段，并各有对称的回文序列。只含130个核苷酸的trp-mRNA的合成终止于一大段尿嘧啶区段（对应于DNA中A—T富集段）：
由此产生的新问题是弱化子是怎样“感觉”细胞中的色氨酸水平的？亚诺夫斯基立刻想到了前导序列，他发现有部分前导序列的核苷酸是翻译成多肽的，多肽的第10和11号氨基酸是色氨酸：
当细胞富含色氨酸时，前导肽链可以合成。当细胞缺乏色氨酸时，核糖体就会在连续排列的两个色氨酸密码子处卡住，理由是细胞中没有携有活化色氨酸的转运RNA。这个被卡住的核糖体改变了mRNA的构型，使得RNA聚合酶的转录能越过弱化子区段而进行到mRNA的完全合成。这个调控系统的关键是转录和翻译紧密相连。核糖体翻译前导多肽是紧接着RNA聚合酶转录前导序列的。最近的研究表明，卡壳的核糖体改变了整个前导序列中碱基配对关系和二级结构，致使RNA聚合酶能通过弱化子区段而完成转录。mRNA前导序列的核苷酸序列分析表明，弱化子RNA分子可以有几种不同的折叠方式，形成不同的“茎”“球”和“发夹”。由序列结构假定这段RNA折叠3次，形成4段平行的区节，依次命名为1、2、3、4节（图4-6）。在这样的结构中，2节可以和1节或3节配对，3节可以和2节或4节配对。前导多肽是由1节中的核苷酸序列编码的。在翻译时，核糖体会阻碍1节和2节配对，这时3节和4节配对，形成一个“茎”和一个“球”，这样就形成了在4节末端的RNA转录弱化现象。相反，当细胞中色氨酸缺乏时，核糖体在连续两个色氨酸密码子处卡壳，在阻碍1节和2节配对的同时，却使3节和2节可配对形成带“球”的“茎”，消除了弱化作用，使转录酶能通过弱化子区段而产生含7 000个核苷酸的完整的色氨酸操纵子mRNA。如果不仅是色氨酸缺乏，而是多种氨基酸都处于“饥饿”状态，核糖体因不能合成前导多肽而脱离mRNA的前导序列，这时1节和2节，3节和4节分别配对，转录也随之终止。
图4-6 大肠杆菌色氨酸操纵子的弱化模型示意（改自D.L.Oxender）
（a）色氨酸富余时；（b）色氨酸缺乏时
值得注意的是，从色氨酸操纵子前导序列的弱化子模型可以看到核酸和蛋白质分子一样，也会改变其构象以适应和调节它的功能，产生不同的细胞生理效果。
现已知道大肠杆菌的另一些生物合成代谢途径也有弱化调控现象。图4-7列出了苯丙氨酸操纵子和组氨酸操纵子的前导多肽，以及编码前导多肽的mRNA前导序列。在苯丙氨酸操纵子的前导多肽中有7个苯丙氨酸，其中有两段是三个苯丙氨酸连续排列的。在组氨酸操纵子的前导多肽中，7个组氨酸连成一串。显然，这样的结构对细胞中相应氨基酸的含量是高度敏感的。实验证明，当细胞中携有活化组氨酸的tRNA减少15%时，组氨酸操纵子mRNA的合成速率会增加3倍。
图4-7 苯丙氨酸操纵子（a）和组氨酸操纵子（b）的前导肽氨基酸序列，以及mRNA中相应区段的核苷酸序列
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