Question

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

（1）研究發現，大腸桿菌有5個與色氨酸合成有關的基因。在需要合成色氨酸時，這些基因通過__________（過程）合成相關酶。大腸桿菌對色氨酸需求的響應十分高效，原因之一是由于沒有核膜的界限，__________。

（2）進一步發現，在培養基中增加色氨酸后，大腸桿菌相關酶的合成量大大下降。經過測序，研究者發現了大腸桿菌色氨酸合成相關基因的結構（圖1）。

①由圖1可知，在培養基中有__________的條件下，trpR指導合成的抑制蛋白能夠結合在操縱序列，從而阻止__________與啟動子的結合，從而抑制色氨酸相關酶的合成。

②隨著研究的深入，研究者發現，色氨酸合成相關基因轉錄后形成的mRNA的5’端有一段“無關序列”編碼出的多肽不是色氨酸合成酶，但將這段多肽對應基因序列敲除后，發現色氨酸合成酶的合成出現了變化（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“無關序列”的作用是__________。

“無關序列”包含具有一定反向重復特征4個區域，且其中富含色氨酸的密碼子。當核糖體在mRNA上滑動慢時，2、3區配對；相反，3、4區配對形成一個阻止mRNA繼續合成的莖—環結構（圖3）。

進一步研究發現，在培養基中有色氨酸時，色氨酸合成相關基因能夠轉錄出一個很短的mRNA分子，該段分子只有1—4區的長度。結合上述研究，“無關序列”完成調控的機制是__________。

（3）“無關序列”在控制大腸桿菌代謝的過程中起到了一種“RNA開關”功的能，令其能夠響應外界代謝物的含量變化，避免了__________。請提出有關這種“RNA開關”調控機制的一種研究或應用前景：__________。

Answer 1

【答案】轉錄和翻譯（表達） 轉錄和翻譯同時發生 色氨酸 RNA聚合酶 不完全的 響應色氨酸的濃度變化，進一步抑制色氨酸合成酶相關基因的轉錄 在色氨酸濃度高時，核糖體在“無關序列”mRNA上翻譯出帶有色氨酸的多肽塊，3、4區配對，阻止色氨酸相關基因的完整轉錄 物質和能量的浪費 利用這種“RNA開關”類似的調控序列導入到癌細胞中，令其在營養充分時也不能正常表達基因，從而抑制生長

【解析】

基因表達包括轉錄和翻譯兩個過程，其中轉錄是以DNA的一條鏈為模板合成RNA的過程，真核細胞該過程主要在細胞核中進行，需要RNA聚合酶參與；翻譯是以mRNA為模板合成蛋白質的過程，該過程發生在核糖體上，需要以氨基酸為原料，還需要酶、能量和tRNA。原核細胞中轉錄和翻譯同時發生在同一空間內。

（1）如果酶的本質是蛋白質，可通過控制該酶的基因通過轉錄和翻譯最終合成。大腸桿菌原核生物，無核膜包裹的細胞核，轉錄和翻譯可同時發生，故大腸桿菌對色氨酸需求的響應十分高效。

（2）①存在色氨基酸的情況下，激活了抑制蛋白，抑制蛋白能夠結合在操縱序列，抑制RNA聚合酶與啟動子的識別，抑制色氨酸合成相關酶基因的轉錄。

②敲除“無關序列”前色氨酸合成相關酶的合成量大于敲除“無關序列”后的檢測量，說明抑制蛋白沒有完全抑制色氨酸合成相關酶基因的表達。敲除“無關序列”前，色氨酸合成相關酶的合成量對色氨酸濃度的感受更為敏感，因此說明“無關序列”響應色氨酸的濃度變化，進一步抑制色氨酸合成酶相關基因的轉錄。

“無關序列”的作用取決于核糖體在這一段mRNA上的翻譯速度，“無關序列”中有很多色氨酸的密碼子，當色氨酸含量達到一定量，“無關序列”mRNA能夠獲得更充足的“色氨酸-tRNA”，核糖體滑動更快，導致3、4區配對，阻止色氨酸相關基因的完整轉錄，從而抑制了核糖體對“無關序列”后真正色氨酸合成酶相關mRNA的翻譯。

（3）“無關序列”在控制大腸桿菌代謝的過程中起到了一種“RNA開關”的功能，令其能夠響應外界代謝物的含量變化，避免了物質和能量的浪費。利用這種“RNA開關”類似的調控序列導入到癌細胞中，令其在營養充分時也不能正常表達基因，從而抑制癌細胞的生長，達到治療癌癥的作用。