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其他转录调节机制

时间:2023-02-12 理论教育 版权反馈
【摘要】:转录衰减的机制是由于原核生物转录与翻译过程偶联进行,转录中途可先翻译出一段前导肽,此前导肽与前导序列L可形成的发夹结构共同作用而终止转录。原核生物这种在氨基酸低浓度时通过阻遏作用和转录衰减机制共同关闭基因表达的方式,保证了营养物质和能量的合理利用。

除了上述对转录起始过程的控制外,原核生物的基因表达调控还可发生于转录过程中的其他调节点。例如大肠埃希菌在转录终止阶段有两种调控终止的方式:一种为转录衰减(attenuation),另一种为抗终止。前者是指RNA链在转录过程中翻译产生的特殊蛋白质与自身基因的调节序列结合而导致转录提前终止,后者则阻止前者的发生,使下游基因得以表达。

大肠埃希菌色氨酸操纵子(trp operon)就是通过转录衰减的方式进行基因表达的调控。色氨酸操纵子的结构基因有trpE、trpD、trpC、trpB和trpA,分别编码合成色氨酸所需的5种酶。上游的调控序列由启动子和操纵元件组成。调节基因trpR则是编码阻遏蛋白。在色氨酸操纵子的结构基因与调控序列之间,还有一个前导序列基因trpL。色氨酸操纵子是一个阻遏操纵子,在细胞内无色氨酸时,阻遏蛋白不能与操纵序列结合,因此色氨酸操纵子处于开放状态,结构基因得以表达,细菌能合成色氨酸以满足自身需求。当细胞内色氨酸的浓度较高时,色氨酸作为辅阻遏物与阻遏蛋白形成复合物并结合到操纵序列上,关闭色氨酸操纵子,停止表达用于合成色氨酸的各种酶(图12-4a)。

此外,根据培养基中色氨酸的浓度不同,色氨酸操纵子还能以转录衰减的方式促使已开始转录的mRNA合成终止,直接有效关闭色氨酸操纵子。转录衰减的机制是由于原核生物转录与翻译过程偶联进行,转录中途可先翻译出一段前导肽,此前导肽与前导序列L可形成的发夹结构共同作用而终止转录。前导序列L的结构特点及其发挥衰减作用的机制如图12-4c所示。前导序列L是一段长度为162bp、内含4个特殊短序列的前导mRNA,其中序列1有独立的起始和终止密码子,可先翻译出一个有14个氨基酸残基的前导肽,其中第10、11位是2个连续的色氨酸;序列1与2、序列2与3、序列3与4之间均存在一些互补序列而各自形成发夹结构,形成发夹结构的能力依次是1/2发夹>2/3发夹>3/4发夹;序列4的下游有一个连续的U序列,是一个不依赖于ρ因子的转录终止信号。

色氨酸的浓度较低时,前导肽序列1的合成因色氨酸量的不足而停滞在第10、11位,核糖体结合在序列1上,因此前导mRNA可能形成2/3发夹结构,转录继续进行;色氨酸的浓度较高时,前导肽的翻译顺利完成,核糖体可以前行至序列2,此时形成3/4发夹结构,其下游的多聚U协同使转录终止,即转录衰减。

前导序列L具有随着色氨酸浓度升高而使转录衰减的作用,也称为衰减子(attenuator)。在色氨酸操纵子中,阻遏蛋白受色氨酸影响决定结构基因转录与否,而衰减子则根据色氨酸浓度决定转录的量,起精细调控的作用。前导肽中含有两个相连的色氨酸残基造成转录终止与色氨酸浓度密切相关,这种转录与翻译的偶联调节提高了基因表达调控的有效性。

细菌中其他氨基酸合成系统的操纵子(如phe、his、leu、thr等)中也有类似的衰减调控机制。原核生物这种在氨基酸低浓度时通过阻遏作用和转录衰减机制共同关闭基因表达的方式,保证了营养物质和能量的合理利用。

除了转录的调节,原核基因表达在翻译水平各环节也受到精细调控。翻译一般在起始和终止阶段受到调节,尤其是起始阶段。翻译起始的调节依赖众多的调节分子,调节分子可以是蛋白质,也可以是RNA。调节分子可直接或间接决定翻译起始位点能否与核糖体结合生成翻译起始复合物。

图12-4 色氨酸操纵子的结构及其关闭机制

(a)色氨酸操纵子的基本结构及前导序列转录产物结构;(b)低Trp,前导肽的合成停滞在序列1上,形成2/3发夹,不影响转录;(c)高Trp,完整的前导肽与3/4发夹结构作用,合并后续多聚U序列使得转录提前终止

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