阿拉伯糖操縱子

1、阿拉伯糖操縱子 1 在大腸桿菌中阿拉伯糖的降解需要3個(gè)基因：araB、araA和araD，它們形成一個(gè)基因簇，簡(jiǎn)寫為araBAD E.Coli 的ara操縱子（arabinose operon）中的araB基因、araA基因和araD基因分別編碼阿拉伯糖代謝需要的三種酶： 核酮糖激酶（ribulose kinase）， 阿拉伯糖異構(gòu)酶（arabinose isomerase） 核酮糖-5-磷酸差向異構(gòu)酶（ribulose-5-phosphate eimerase）。 三個(gè)基因的表達(dá)受到ara操縱子中第4個(gè)基因araC 產(chǎn)物轉(zhuǎn)錄因子AraC的調(diào)控。2ara操縱子的調(diào)控有三個(gè)特點(diǎn)：第一，araC表

2、達(dá)受到AraC的自動(dòng)調(diào)控。第二，AraC既可充當(dāng)阻遏物，也可作為激活劑。第三，AraC與CAP結(jié)合可充分誘導(dǎo)ara操縱子。3 與araBAD相鄰的是一個(gè)復(fù)合的啟動(dòng)子區(qū)域和一個(gè)調(diào)節(jié)基因araC，這個(gè)AraC蛋白同時(shí)顯示正、負(fù)調(diào)節(jié)因子的功能。AraBAD和araC基因的轉(zhuǎn)錄是分別在兩條鏈上以相反的方向進(jìn)行的。在標(biāo)準(zhǔn)的遺傳學(xué)圖譜上，araBAD基因簇從啟動(dòng)子PBAD開始向右進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，而araC基因則是從Pc向左轉(zhuǎn)錄。45 AraC蛋白作為PBAD活性正、負(fù)調(diào)節(jié)因子的雙重功能是通過該蛋白的兩種異構(gòu)體來實(shí)現(xiàn)的。Pr是起阻遏作用的形式，可以與現(xiàn)在尚未鑒定的類操縱區(qū)位點(diǎn)相結(jié)合，而Pi是起誘導(dǎo)作用的形式，它通

3、過與PBAD啟動(dòng)子結(jié)合進(jìn)行調(diào)節(jié)。 在沒有阿拉伯糖時(shí)，Pr形式占優(yōu)勢(shì)；一旦有阿拉伯糖存在，它就能夠與AraC蛋白結(jié)合，使平衡趨向于Pi形式。這樣，阿拉伯糖的誘導(dǎo)作用就可以解釋為阿拉伯糖與Pr的結(jié)合，使Pr離開它的結(jié)合位點(diǎn)，然后，產(chǎn)生大量的Pi，并與啟動(dòng)子結(jié)合。6 因?yàn)榕囵B(yǎng)基中含有葡萄糖，所以cAMP-CAP沒有與操縱區(qū)位點(diǎn)相結(jié)合，AraC蛋白處于Pr形式并與A位點(diǎn)結(jié)合，RNA聚合酶很少再與Pc結(jié)合，araC基因雖然仍有轉(zhuǎn)錄，但受到抑制，只有少量 AraC蛋白形成，整個(gè)系統(tǒng)幾乎處于靜止?fàn)顟B(tài)。 沒有葡萄糖，也沒有阿拉伯糖，因?yàn)闆]有誘導(dǎo)物，盡管有cAMP-CAP與操縱區(qū)位點(diǎn)相結(jié)合，AraC蛋白仍以Pr

4、形式為主，無法與操縱區(qū)B位點(diǎn)相結(jié)合，無araBAD mRNA轉(zhuǎn)錄。無葡萄糖，有阿拉伯糖時(shí)，大量araC基因產(chǎn)物以Pi形式存在，并分別與操縱區(qū)B、A位點(diǎn)相結(jié)合，在cAMP-CAP的共同作用下，araC和araBAD基因大量表達(dá)，操縱子充分激活。78 araC的表達(dá)受到自身產(chǎn)物AraC的自動(dòng)調(diào)控。當(dāng)沒有阿拉伯糖時(shí)，AraC起著一個(gè)轉(zhuǎn)錄阻遏物的作用。 細(xì)胞中AraC蛋白質(zhì)穩(wěn)態(tài)水平的測(cè)量表明，阻遏araC轉(zhuǎn)錄大約需要40個(gè)AraC。因此當(dāng)AraC蛋白水平低時(shí)（就是說在細(xì)胞剛分裂之后），araC將表達(dá)直至存在足夠的AraC去阻遏它的轉(zhuǎn)錄。9 阿拉伯糖作為E.Coli的碳源，可以誘導(dǎo)ara操縱子的轉(zhuǎn)錄。當(dāng)

5、細(xì)胞中葡萄糖水平高（導(dǎo)致cAMP處于低濃度）和阿拉伯糖水平低時(shí)，AraC阻遏araB，araA，araD的轉(zhuǎn)錄。 然而當(dāng)阿拉伯糖水平高，而葡萄糖水平低（cAMP高）時(shí)，CAP-cAMP復(fù)合物能夠與ara操縱子中的CAP結(jié)合部位結(jié)合，使DNA突環(huán)打開。 10 阿拉伯糖的作用象AraC的一個(gè)調(diào)控器，可將AraC由一個(gè)阻遏物轉(zhuǎn)換為一個(gè)激活劑。阿拉伯糖與AraC結(jié)合似乎改變了AraC同源二聚體化特性和促進(jìn)了AraC-CAP復(fù)合物的形成。在這樣的條件下，AraC阿拉伯糖的作用象是一個(gè)轉(zhuǎn)錄激活劑，這正是CAP-cAMP誘導(dǎo)araB，araA，araD轉(zhuǎn)錄所需要的。11當(dāng)由于araBAD編碼的蛋白質(zhì)的代謝使

6、得阿拉伯糖水平下降時(shí)，AraC又轉(zhuǎn)換成一個(gè)阻遏物，同時(shí)araBAD轉(zhuǎn)錄減少，此時(shí)盡管CAP-cAMP復(fù)合物仍然存在于細(xì)胞中。有趣的是，當(dāng)葡萄糖和阿拉伯糖都很豐富時(shí)，ara操縱子被阻遏，但阻遏的道理現(xiàn)在還不完全清楚，但這個(gè)結(jié)果表明araBAD誘導(dǎo)與AraC-阿拉伯糖和CAP-cAMP復(fù)合物都有關(guān)。12 When the araC protein is bound to the operator araO1, transcription from PC is prevented. When arabinose levels are low, the AraC protein acts as a r

7、epressor and binds to two operator sites, araO1 and araO2, as well as to araI. Binding to araO1 inhibits transcription of the araC gene itself. Thus, araC is autoregulated at the level of its own transcription. AraC molecules bound to araO2 and araI interact with each other to form a DNA loop. This

8、structure causes repression of transcription of the araBAD genes.13Arabinose Operon 1. Coordinated expression of Arabinose Isomerase, ribulokinase, and an epimerase in response to arabinose diet in E. Coli in absence of glucose. (Ara A, Ara B, Ara D).14Gene organization deduced from genetics. Two op

9、erators (Ara O1 and Ara O2) control expression of the BAD genes. 152. Ara C codes for a protein (C-protein) which mediates repression of BAD expression by binding to Ara O2.163. C-Protein also represses its own synthesis at low concentrations of cAMP and represses BAD expression unless arabinose is

10、present. a. C-Protein footprint at three sites (Ara O1, Ara O2, and Ara I) -in absence of aribinose and presence of glucose (low cAMP). 174. However genetically both AraI and AraO2 needed to inhibit BAD expression - proposed that Ara C protein binds simultaneously to AraI and AraO2.18When arabinose

11、present, BAD expression is enhanced but C-protein synthesis still repressed. (absence of glucose, hi cAMP)a. Under this condition still see footprinting at same three sites of DNA. Found under this condition, CAP site is also bound with CAP protein and cAMP (so C-protein can act either as an repressor or an activator depending on presence of arabinose.）b. Analysis of the DNA structure indicates C-protein forms a loop i