Question

色氨酸是大肠杆菌合成蛋白质所必需的一种氨基酸。研究人员发现，在培养基中无论是否添加色氨酸，都不影响大肠杆菌的生长。

（1）研究发现，大肠杆菌有5个与色氨酸合成有关的基因。在需要合成色氨酸时，这些基因通过__________（过程）合成相关酶。大肠杆菌对色氨酸需求的响应十分高效，原因之一是由于没有核膜的界限，__________。

（2）进一步发现，在培养基中增加色氨酸后，大肠杆菌相关酶的合成量大大下降。经过测序，研究者发现了大肠杆菌色氨酸合成相关基因的结构（图1）。

①由图1可知，在培养基中有__________的条件下，trpR指导合成的抑制蛋白能够结合在操纵序列，从而阻止__________与启动子的结合，从而抑制色氨酸相关酶的合成。

②随着研究的深入，研究者发现，色氨酸合成相关基因转录后形成的mRNA的5’端有一段“无关序列”编码出的多肽不是色氨酸合成酶，但将这段多肽对应基因序列敲除后，发现色氨酸合成酶的合成出现了变化（图2）。由此可知，图1中的抑制蛋白的抑制作用是__________（填“完全的”或“不完全的”），推测“无关序列”的作用是__________。

“无关序列”包含具有一定反向重复特征4个区域，且其中富含色氨酸的密码子。当核糖体在mRNA上滑动慢时，2、3区配对；相反，3、4区配对形成一个阻止mRNA继续合成的茎—环结构（图3）。

进一步研究发现，在培养基中有色氨酸时，色氨酸合成相关基因能够转录出一个很短的mRNA分子，该段分子只有1—4区的长度。结合上述研究，“无关序列”完成调控的机制是__________。

（3）“无关序列”在控制大肠杆菌代谢的过程中起到了一种“RNA开关”功的能，令其能够响应外界代谢物的含量变化，避免了__________。请提出有关这种“RNA开关”调控机制的一种研究或应用前景：__________。

Answer

转录和翻译（表达） 转录和翻译同时发生 色氨酸 RNA聚合酶 不完全的 响应色氨酸的浓度变化，进一步抑制色氨酸合成酶相关基因的转录 在色氨酸浓度高时，核糖体在“无关序列”mRNA上翻译出带有色氨酸的多肽块，3、4区配对，阻止色氨酸相关基因的完整转录 物质和能量的浪费 利用这种“RNA开关”类似的调控序列导入到癌细胞中，令其在营养充分时也不能正常表达基因，从而抑制生长

【解析】

基因表达包括转录和翻译两个过程，其中转录是以DNA的一条链为模板合成RNA的过程，真核细胞该过程主要在细胞核中进行，需要RNA聚合酶参与；翻译是以mRNA为模板合成蛋白质的过程，该过程发生在核糖体上，需要以氨基酸为原料，还需要酶、能量和tRNA。原核细胞中转录和翻译同时发生在同一空间内。

（1）如果酶的本质是蛋白质，可通过控制该酶的基因通过转录和翻译最终合成。大肠杆菌原核生物，无核膜包裹的细胞核，转录和翻译可同时发生，故大肠杆菌对色氨酸需求的响应十分高效。

（2）①存在色氨基酸的情况下，激活了抑制蛋白，抑制蛋白能够结合在操纵序列，抑制RNA聚合酶与启动子的识别，抑制色氨酸合成相关酶基因的转录。

②敲除“无关序列”前色氨酸合成相关酶的合成量大于敲除“无关序列”后的检测量，说明抑制蛋白没有完全抑制色氨酸合成相关酶基因的表达。敲除“无关序列”前，色氨酸合成相关酶的合成量对色氨酸浓度的感受更为敏感，因此说明“无关序列”响应色氨酸的浓度变化，进一步抑制色氨酸合成酶相关基因的转录。

“无关序列”的作用取决于核糖体在这一段mRNA上的翻译速度，“无关序列”中有很多色氨酸的密码子，当色氨酸含量达到一定量，“无关序列”mRNA能够获得更充足的“色氨酸-tRNA”，核糖体滑动更快，导致3、4区配对，阻止色氨酸相关基因的完整转录，从而抑制了核糖体对“无关序列”后真正色氨酸合成酶相关mRNA的翻译。

（3）“无关序列”在控制大肠杆菌代谢的过程中起到了一种“RNA开关”的功能，令其能够响应外界代谢物的含量变化，避免了物质和能量的浪费。利用这种“RNA开关”类似的调控序列导入到癌细胞中，令其在营养充分时也不能正常表达基因，从而抑制癌细胞的生长，达到治疗癌症的作用。