色氨酸操縱子(色氨酸操縱子的衰減機(jī)制)

反饋調(diào)控機(jī)制是最重要的機(jī)制之一，不管是在自然科學(xué)還是社會(huì)科學(xué)里面都是這樣。

就好比如果人過(guò)于自由，他就會(huì)有犯罪傾向，這時(shí)候就需要規(guī)定與法律對(duì)他進(jìn)行負(fù)反饋的調(diào)節(jié)。

所以現(xiàn)在社會(huì)上各種規(guī)章各種現(xiàn)象，其實(shí)在無(wú)數(shù)年前我們細(xì)胞的分子調(diào)控機(jī)制里面都已經(jīng)清楚的寫好了。

就比如比較簡(jiǎn)單的細(xì)胞，原核細(xì)胞的基因表達(dá)的調(diào)控過(guò)程。

首先來(lái)看轉(zhuǎn)錄過(guò)程的調(diào)控。一個(gè)基因，總要包含兩個(gè)結(jié)構(gòu)，一個(gè)叫操縱子，另外一個(gè)叫調(diào)節(jié)基因。操縱子是轉(zhuǎn)錄的最核心的部位，它的上游是調(diào)控區(qū)，里面有啟動(dòng)子，還有操縱元件。下游是信息區(qū)，里面是兩個(gè)及以上的正兒八經(jīng)拿來(lái)轉(zhuǎn)錄的結(jié)構(gòu)基因。最后有一個(gè)終止子。

順帶提一下，由信息區(qū)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的mRNA分為兩種：第一種叫單順?lè)醋樱簿褪且粭lmRNA只含有一個(gè)結(jié)構(gòu)基因的信息，只編碼一個(gè)蛋白質(zhì)。

另外一種叫多順?lè)醋樱簿褪且粭lmRNA含有好幾個(gè)結(jié)構(gòu)基因的信息，可以編碼好幾個(gè)蛋白質(zhì)。

當(dāng)然原核生物里面大部分肯定都是多順?lè)醋樱吘剐时容^高。原核生物和真核生物不一樣，它更需要能夠快速變化來(lái)適應(yīng)多變的環(huán)境，所以對(duì)效率的要求就要高得多。甚至，它為了追求這個(gè)極致的效率，它的mRNA的轉(zhuǎn)錄、翻譯和降解是同步進(jìn)行的：邊轉(zhuǎn)錄邊翻譯，邊翻譯邊降解。

現(xiàn)在進(jìn)入正題，也就是它的轉(zhuǎn)錄到底是如何調(diào)控的。

首先DNA序列本身就具有調(diào)控轉(zhuǎn)錄的特殊序列，也就是我們通常所說(shuō)的順式作用元件（cis-acting elements），它是存在于基因旁序列中能夠影響基因表達(dá)的一種調(diào)控序列，包括啟動(dòng)子，阻遏蛋白結(jié)合位點(diǎn)，正調(diào)控蛋白結(jié)合位點(diǎn)（如CAP結(jié)合位點(diǎn)），還有增強(qiáng)子。

值得一提的是阻遏蛋白的結(jié)合位點(diǎn)。之前說(shuō)過(guò)一個(gè)基因除了操縱子之外，還要有一個(gè)調(diào)節(jié)基因，那個(gè)調(diào)節(jié)基因通常就是編碼阻遏蛋白的，它會(huì)和操縱子里面的操縱元件，也就是這個(gè)順式作用元件結(jié)合，從而達(dá)到調(diào)控目的。從這個(gè)地方就能看到一點(diǎn)基因反饋調(diào)控的機(jī)制。

其次，特定蛋白和DNA的結(jié)合過(guò)程也能夠影響轉(zhuǎn)錄的開始。

這里面比較重要的，是一個(gè)叫做σ因子的東西。RNA聚合酶的全酶由σ因子和核心酶組成。與啟動(dòng)子結(jié)合需要全酶，但是催化延長(zhǎng)只需要核心酶就行了。所以就很容易聯(lián)想到，σ因子和轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控密不可分。

它的作用主要體現(xiàn)在三個(gè)方面，第一是決定轉(zhuǎn)錄的方向。此因子識(shí)別并結(jié)合啟動(dòng)子的-35和-10區(qū)，而起始位點(diǎn)在結(jié)合區(qū)的下游，也就是核心酶只能向編碼鏈的下游移動(dòng)。因此，它和啟動(dòng)子的位置一起決定了轉(zhuǎn)錄的方向。

第二個(gè)是起始的效率。-35區(qū)和-10區(qū)的共有序列是一定的，即分別為TGACA和TATAAT，啟動(dòng)子序列與這個(gè)序列越接近，它就越強(qiáng)，即強(qiáng)啟動(dòng)子。

第三個(gè)是它可以控制特定基因的表達(dá)。不同的σ因子可以競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合RNA聚合酶的核心酶，而σ因子的含量可由環(huán)境調(diào)控，從而成為環(huán)境調(diào)節(jié)基因表達(dá)的橋梁。

除此之外就是和我們今天的主題相關(guān)的調(diào)控方式了：阻遏與激活。

首先來(lái)看看阻遏。阻遏作用并不是說(shuō)阻遏蛋白與結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合之后，聚合酶就不能再和DNA結(jié)合了。結(jié)合依然是可以結(jié)合的，但是它不能形成開放的轉(zhuǎn)錄復(fù)合體，也就是說(shuō)，阻遏蛋白的作用就類似于一個(gè)鉗子，夾住我們的DNA，不讓它被解開。

那么去阻遏就是正好相反的一種方式了：阻遏蛋白從結(jié)合位點(diǎn)上脫落下來(lái)，鉗子作用消除，轉(zhuǎn)錄可以繼續(xù)進(jìn)行。

常見(jiàn)的操縱子有兩種，正好代表了兩個(gè)不同的類型。

一個(gè)叫乳糖操縱子，它代表的類型是可誘導(dǎo)的操縱子。什么意思呢？就是說(shuō)，它的表達(dá)產(chǎn)物的底物，也就是乳糖酶的底物，比如乳糖異乳糖什么的，可以誘導(dǎo)它去阻遏。這種操縱子的調(diào)節(jié)方式就是最簡(jiǎn)單的，阻遏蛋白結(jié)合起阻遏作用。阻遏蛋白變構(gòu)后離開，阻遏作用消失。

這種方式通常出現(xiàn)在分解相關(guān)的酶里面。

另一個(gè)叫色氨酸操縱子，它所代表的類型是可阻遏操縱子。也就是它表達(dá)的產(chǎn)物的底物，也就是色氨酸合成酶的底物，即色氨酸，可以誘導(dǎo)它阻遏。而這種的調(diào)節(jié)方式也比較特殊，剛開始阻遏蛋白不結(jié)合位點(diǎn)，表達(dá)不被阻遏。而底物產(chǎn)生之后，阻遏蛋白異構(gòu)，開始阻遏基因的表達(dá)。

這種方式通常出現(xiàn)在合成相關(guān)的基因里面。

其次來(lái)看一看激活。最經(jīng)典的激活蛋白有兩種，一種是CAP，即大腸桿菌分解代謝物基因的活化蛋白。另外一種是和大腸桿菌氮的代謝有關(guān)的，叫ntrC蛋白。

CAP蛋白由于和代謝活性相關(guān)，所以它和cAMP的聯(lián)系相當(dāng)?shù)木o密。游離的CAP是沒(méi)有活性的，它只有在和cAMP形成復(fù)合體的時(shí)候才是有活性的。因此，cAMP也是它的激活劑之一。它的結(jié)合位點(diǎn)是CAP結(jié)合位點(diǎn)。

ntrC蛋白由于和氮的代謝息息相關(guān)，所以它的激活劑和谷氨酰胺的含量有關(guān)。當(dāng)谷氨酰胺的含量不足時(shí)，ntrC會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榱姿峄幕钚孕问剑退慕Y(jié)合位點(diǎn)增強(qiáng)子結(jié)合發(fā)揮作用，促進(jìn)谷氨酰胺合成酶的基因的表達(dá)。

轉(zhuǎn)錄調(diào)控大概就這個(gè)樣子，我們可以發(fā)現(xiàn)里面處處都體現(xiàn)著反饋調(diào)節(jié)的思想。

而翻譯調(diào)控也是一樣的。

和轉(zhuǎn)錄幾乎完全相似，首先是mRNA上的序列對(duì)翻譯效率有影響。這段序列我們稱為SD序列，它位于起始密碼子AUG的上游。

不同的SD序列與核糖體的結(jié)合效率有很大的差異。SD與16SrRNA之間配對(duì)的堿基數(shù)目越多，結(jié)合效率就越高。此外，SD序列與起始密碼子之間的距離也在很大程度上影響了翻譯的效率。

還有SD的定位決定了mRNA和核糖體能否順利的結(jié)合。比如SD位于莖環(huán)結(jié)構(gòu)時(shí)，mRNA將不能與核糖體結(jié)合。

另外，產(chǎn)物的反饋也對(duì)翻譯效率有調(diào)控作用。比如核糖體蛋白會(huì)控制多順?lè)醋觤RNA的翻譯，還有釋放因子RF2調(diào)節(jié)自身的翻譯。

總之，反饋調(diào)控是一種整個(gè)自然界都普遍存在的調(diào)控機(jī)制，不管想做什么事情，只要最后目的是為了維持平衡的穩(wěn)定，或者目標(biāo)的順利進(jìn)行，都需要有恰當(dāng)?shù)姆答仚C(jī)制。