Question

【題目】色氨酸是大腸桿菌合成蛋白質(zhì)所必需的一種氨基酸。研究人員發(fā)現(xiàn)，在培養(yǎng)基中無論是否添加色氨酸，都不影響大腸桿菌的生長(zhǎng)。

（1）研究發(fā)現(xiàn)，大腸桿菌有5個(gè)與色氨酸合成有關(guān)的基因。在需要合成色氨酸時(shí)，這些基因通過__________（過程）合成相關(guān)酶。大腸桿菌對(duì)色氨酸需求的響應(yīng)十分高效，原因之一是由于沒有核膜的界限，__________。

（2）進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在培養(yǎng)基中增加色氨酸后，大腸桿菌相關(guān)酶的合成量大大下降。經(jīng)過測(cè)序，研究者發(fā)現(xiàn)了大腸桿菌色氨酸合成相關(guān)基因的結(jié)構(gòu)（圖1）。

①由圖1可知，在培養(yǎng)基中有__________的條件下，trpR指導(dǎo)合成的抑制蛋白能夠結(jié)合在操縱序列，從而阻止__________與啟動(dòng)子的結(jié)合，從而抑制色氨酸相關(guān)酶的合成。

②隨著研究的深入，研究者發(fā)現(xiàn)，色氨酸合成相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄后形成的mRNA的5’端有一段“無關(guān)序列”編碼出的多肽不是色氨酸合成酶，但將這段多肽對(duì)應(yīng)基因序列敲除后，發(fā)現(xiàn)色氨酸合成酶的合成出現(xiàn)了變化（圖2）。由此可知，圖1中的抑制蛋白的抑制作用是__________（填“完全的”或“不完全的”），推測(cè)“無關(guān)序列”的作用是__________。

“無關(guān)序列”包含具有一定反向重復(fù)特征4個(gè)區(qū)域，且其中富含色氨酸的密碼子。當(dāng)核糖體在mRNA上滑動(dòng)慢時(shí)，2、3區(qū)配對(duì)；相反，3、4區(qū)配對(duì)形成一個(gè)阻止mRNA繼續(xù)合成的莖—環(huán)結(jié)構(gòu)（圖3）。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在培養(yǎng)基中有色氨酸時(shí)，色氨酸合成相關(guān)基因能夠轉(zhuǎn)錄出一個(gè)很短的mRNA分子，該段分子只有1—4區(qū)的長(zhǎng)度。結(jié)合上述研究，“無關(guān)序列”完成調(diào)控的機(jī)制是__________。

（3）“無關(guān)序列”在控制大腸桿菌代謝的過程中起到了一種“RNA開關(guān)”功的能，令其能夠響應(yīng)外界代謝物的含量變化，避免了__________。請(qǐng)?zhí)岢鲇嘘P(guān)這種“RNA開關(guān)”調(diào)控機(jī)制的一種研究或應(yīng)用前景：__________。

Answer 1

【答案】轉(zhuǎn)錄和翻譯（表達(dá)） 轉(zhuǎn)錄和翻譯同時(shí)發(fā)生 色氨酸 RNA聚合酶 不完全的 響應(yīng)色氨酸的濃度變化，進(jìn)一步抑制色氨酸合成酶相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄 在色氨酸濃度高時(shí)，核糖體在“無關(guān)序列”mRNA上翻譯出帶有色氨酸的多肽塊，3、4區(qū)配對(duì)，阻止色氨酸相關(guān)基因的完整轉(zhuǎn)錄 物質(zhì)和能量的浪費(fèi) 利用這種“RNA開關(guān)”類似的調(diào)控序列導(dǎo)入到癌細(xì)胞中，令其在營(yíng)養(yǎng)充分時(shí)也不能正常表達(dá)基因，從而抑制生長(zhǎng)

【解析】

基因表達(dá)包括轉(zhuǎn)錄和翻譯兩個(gè)過程，其中轉(zhuǎn)錄是以DNA的一條鏈為模板合成RNA的過程，真核細(xì)胞該過程主要在細(xì)胞核中進(jìn)行，需要RNA聚合酶參與；翻譯是以mRNA為模板合成蛋白質(zhì)的過程，該過程發(fā)生在核糖體上，需要以氨基酸為原料，還需要酶、能量和tRNA。原核細(xì)胞中轉(zhuǎn)錄和翻譯同時(shí)發(fā)生在同一空間內(nèi)。

（1）如果酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì)，可通過控制該酶的基因通過轉(zhuǎn)錄和翻譯最終合成。大腸桿菌原核生物，無核膜包裹的細(xì)胞核，轉(zhuǎn)錄和翻譯可同時(shí)發(fā)生，故大腸桿菌對(duì)色氨酸需求的響應(yīng)十分高效。

（2）①存在色氨基酸的情況下，激活了抑制蛋白，抑制蛋白能夠結(jié)合在操縱序列，抑制RNA聚合酶與啟動(dòng)子的識(shí)別，抑制色氨酸合成相關(guān)酶基因的轉(zhuǎn)錄。

②敲除“無關(guān)序列”前色氨酸合成相關(guān)酶的合成量大于敲除“無關(guān)序列”后的檢測(cè)量，說明抑制蛋白沒有完全抑制色氨酸合成相關(guān)酶基因的表達(dá)。敲除“無關(guān)序列”前，色氨酸合成相關(guān)酶的合成量對(duì)色氨酸濃度的感受更為敏感，因此說明“無關(guān)序列”響應(yīng)色氨酸的濃度變化，進(jìn)一步抑制色氨酸合成酶相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄。

“無關(guān)序列”的作用取決于核糖體在這一段mRNA上的翻譯速度，“無關(guān)序列”中有很多色氨酸的密碼子，當(dāng)色氨酸含量達(dá)到一定量，“無關(guān)序列”mRNA能夠獲得更充足的“色氨酸-tRNA”，核糖體滑動(dòng)更快，導(dǎo)致3、4區(qū)配對(duì)，阻止色氨酸相關(guān)基因的完整轉(zhuǎn)錄，從而抑制了核糖體對(duì)“無關(guān)序列”后真正色氨酸合成酶相關(guān)mRNA的翻譯。

（3）“無關(guān)序列”在控制大腸桿菌代謝的過程中起到了一種“RNA開關(guān)”的功能，令其能夠響應(yīng)外界代謝物的含量變化，避免了物質(zhì)和能量的浪費(fèi)。利用這種“RNA開關(guān)”類似的調(diào)控序列導(dǎo)入到癌細(xì)胞中，令其在營(yíng)養(yǎng)充分時(shí)也不能正常表達(dá)基因，從而抑制癌細(xì)胞的生長(zhǎng)，達(dá)到治療癌癥的作用。