色氨酸操縱子精細調控機制

Mondo 健康 更新 2024-02-01

前面提到了乳糖操縱子結構,並詳細描述了大腸桿菌中乳糖的代謝途徑,但發現原核代謝途徑中組氨酸的操縱子結構與乳糖代謝的縱向結構非常相似,首先我們先介紹組氨酸的操縱子結構, 它包含兩個啟動子和乙個操縱基因結構(PO),其中有編碼咪唑丙酮酶(I)和谷氨酸轉菊酶(G)的基因和調控基因(C),在兩個PO結構之後,還有編碼尿果糖酶(U)和組氨酸氨解酶(H)的基因,這是組氨酸代謝的操縱子結構,我們先說說組氨酸是如何代謝的, 先在H酶作用下變成尿甘氨酸,再在U酶催化下變成丙酮酸咪唑,再變成亞氨基

當組氨酸存在時,組氨酸尿苷酸的代謝中間產物以訊號分子的形式與其C調控基因編碼的阻遏蛋白結合,使阻遏蛋白不能與操縱基因結合,進而轉錄其代謝的相關基因,而相反,當組氨酸不存在時, 其烏羅肽含量極低,導致阻遏蛋白與DNA結合,抑制轉錄的發生。在正調控中,當培養基中缺乏碳源時,如前所述,ATP可以通過相關酶直接代謝成CAMP,從而與調控基因編碼的活化蛋白CAP結合,作用於其帽位點,促進RNA聚合酶進行轉錄,但這裡也存在一種情況,即當氮源缺乏時, 細胞會產生缺乏刺激谷氨醯胺合成酶的訊號並啟用它,使這種酶作用於RNA聚合酶促進轉錄,如果有組氨酸,這將使組氨酸代謝更有效率。

首先,我們還是介紹一下其調控的操縱子結構,它有調控基因R和啟動子P以及調控基因O,然後是編碼相關蛋白的結構基因(EDCBA),而令人著迷的是結構基因和操縱基因之間的衰減器結構,它由前導區和衰減子亞區組成, 這將在將來轉錄速度的調節中詳細說明。

首先,我們來談談色氨酸合成途徑的負調控,它與乳糖代謝和組氨酸代謝途徑最大的區別是調控基因R編碼的阻遏蛋白是無活性的,但是當色氨酸存在時,阻遏蛋白可以與色氨酸結合,從而使阻遏蛋白概念發生變化並與O基因結合, 使轉錄停止,當色氨酸含量很低時,轉錄開始,此時色氨酸稱為輔阻遏蛋白。讓我們關注乙個非常有趣的衰減器結構的調節,當細胞含有微量色氨酸時,它應該被正常轉錄,但已經發現RNA聚合酶將前導區域移出DNA-RNA。

在對前導區進行測序後,人們發現其中有四個倒置的重複序列(回文序列),分別是60 68(1 83(2 121(3 134(4),4之後是富含U的序列,28-68是ORF盒,可以編碼短肽,因為1之後有乙個終止密碼子UGA, 而短肽由14個氨基酸組成,稱為先導肽,它實際上含有兩個色氨酸,佔比為1 7,這表明它是一種富含色氨酸的主導肽,前述反向重複可以合成mRNA的次級莖環結構,並且由於原核轉錄和翻譯的時空同步。

此時有趣的是,當色氨酸原料充足時,翻譯速度明顯加快,核醣體是RNA大蛋白複合物,其移動速度非常快,立即佔據了第1區和第2區的一部分,迫使第3區和第4區形成莖環結構, 並且其背後有乙個U序列,成為轉錄終止的衰減器結構,也就是所謂的獨立因子的轉錄終止,反之,當色氨酸原料不足時,核醣體移動極其緩慢,停滯在第1區。這時,恰好釋放的第2和第3區域成為莖環結構,第3區域後面是第4區域,而不是U序列,因此在前導r中沒有衰減器結構

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