03其他操縱子的調(diào)控機(jī)制

三、其他操縱子的調(diào)控機(jī)制

1．半乳糖操縱子大腸桿菌半乳糖操縱子(galactoseoperon)包括3個(gè)結(jié)構(gòu)基因：

異構(gòu)酶(UDP-galactose-4epimerase,galE)，

半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷轉(zhuǎn)移酶(galactosetransferase,galT)，

半乳糖激酶(galactosekinase,galk)。

這3個(gè)酶的作用是使半乳糖變成葡萄糖-1-磷酸。GalR與galE、T、K及操縱區(qū)O等離得很遠(yuǎn)，而galR產(chǎn)物對(duì)galO的作用與lacI-lacO的作用相同。

gal操縱子的特點(diǎn)：

①它有兩個(gè)啟動(dòng)子，其mRNA可從兩個(gè)不同的起始點(diǎn)開始轉(zhuǎn)錄；

②它有兩個(gè)O區(qū)，一個(gè)在P區(qū)上游-67--53，另一個(gè)在結(jié)構(gòu)基因galE內(nèi)部。因?yàn)榘肴樘堑睦眯时绕咸烟堑停藗儾孪肫咸烟谴嬖跁r(shí)半乳糖操縱子不被誘導(dǎo)，但實(shí)際上有葡萄糖存在時(shí)，gal操縱子仍可被誘導(dǎo)?，F(xiàn)已分離到一些突變株，其中一類突變株能在不含葡萄糖的培養(yǎng)基中高水平合成半乳糖代謝酶類（gal結(jié)構(gòu)基因高效表達(dá)）；而另一類突變株中g(shù)al基因的表達(dá)完全依賴于葡萄糖，培養(yǎng)基中如無(wú)葡萄糖存在，這些細(xì)菌的gal基因不表達(dá)，不合成半乳糖代謝酶類。分析gal操縱子P-O區(qū)的DNA序列發(fā)現(xiàn)，該操縱子確實(shí)存在兩個(gè)相距僅5bp的啟動(dòng)子，可以分別起始mRNA的合成。每個(gè)啟動(dòng)子擁有各自的RNA聚合酶結(jié)合位點(diǎn)S1和S2。

從S1起始的轉(zhuǎn)錄只有在培養(yǎng)基中無(wú)葡萄糖時(shí)，才能順利進(jìn)行，RNA聚合酶與S1的結(jié)合需要半乳糖、CAP和較高濃度的cAMP。從S2起始的轉(zhuǎn)錄則完全依賴于葡萄糖，高水平的cAMP-CAP能抑制由這個(gè)啟動(dòng)子起始的轉(zhuǎn)錄。當(dāng)有cAMP-CAP時(shí)，轉(zhuǎn)錄從S1開始，當(dāng)無(wú)cAMP-CAP時(shí)，轉(zhuǎn)錄從S2開始。為什么gal操縱子需要兩個(gè)轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)？

半乳糖不僅可以作為唯一碳源供細(xì)胞生長(zhǎng)，而且與之相關(guān)的物質(zhì)--尿苷二磷酸半乳糖（UDPgal）是大腸桿菌細(xì)胞壁合成的前體。在沒有外源半乳糖的情況下，UDP-gal是通過(guò)半乳糖差向異構(gòu)酶的作用由UDP-葡萄糖合成的，該酶是galE基因的產(chǎn)物。生長(zhǎng)過(guò)程中的所有時(shí)間里細(xì)胞必須能夠合成差向異構(gòu)酶。現(xiàn)在設(shè)想只有S1一個(gè)啟動(dòng)子，那么由于這個(gè)啟動(dòng)子的活性依賴于cAMP-CRP，當(dāng)培養(yǎng)基中有葡萄糖存在時(shí)就有能合成異構(gòu)酶。假如唯一的啟動(dòng)子是S2，那么，即使在葡萄糖存在的情況下，半乳糖也將使操縱子處于充分誘導(dǎo)狀態(tài)，這無(wú)疑是一種浪費(fèi)。無(wú)論從必要性或經(jīng)濟(jì)性考慮，都需要一個(gè)不依賴于cAMP-CAP的啟動(dòng)子（S1）對(duì)高水平合成進(jìn)行調(diào)節(jié)。2．阿拉伯糖操縱子

阿拉伯糖(arabinose)是另一個(gè)可以為代謝提供碳源的五碳糖。在大腸桿菌中阿拉伯糖的降解需要3個(gè)基因：araB、araA和araD，分別編碼3個(gè)酶：araB基因編碼核酮糖激酶(ribulokinase)，araA編碼L-阿拉伯糖異構(gòu)酶(L-arabinoseisomerase)，araD編碼L-核酮糖-5-磷酸-4-差向異構(gòu)酶(L-ribulose-5phosphate-4epimerase)。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開始向左進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，而araC基因則是從Pc向右轉(zhuǎn)錄。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(guò)該蛋白的兩種異構(gòu)體來(lái)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Pj是起誘導(dǎo)作用的形式，它通過(guò)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。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形式為主，無(wú)法與操縱區(qū)B位點(diǎn)相結(jié)合，無(wú)araBADmRNA轉(zhuǎn)錄。無(wú)葡萄糖，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。3.組氨酸操縱子

與His降解代謝有關(guān)的兩組酶類被稱為hut酶(histidineutilizingenzyme)，控制這些酶合成的操縱子被稱為hutoperon。由一個(gè)多重調(diào)節(jié)的操縱子控制，有兩個(gè)啟動(dòng)子，兩個(gè)操縱區(qū)及兩個(gè)正調(diào)節(jié)蛋白。

Hut操縱子共編碼4種酶和一個(gè)阻遏物。4種酶分別由hutG、hutH、hutI及hutU基因編碼，阻遏物則由hutC基因編碼。在產(chǎn)氣克氏菌中，以上基因構(gòu)成兩個(gè)轉(zhuǎn)錄單位，hutI、hutG、hutC和hutU、hutH分別被轉(zhuǎn)錄合成兩條mRNA長(zhǎng)鏈。這兩個(gè)轉(zhuǎn)錄單位各自都有一個(gè)啟動(dòng)子和一個(gè)操縱區(qū)，其轉(zhuǎn)錄過(guò)程都是從左向右進(jìn)行的，hutC阻遏物能與每個(gè)操縱區(qū)相結(jié)合。無(wú)論以組氨酸作為唯一碳源或氮源，hut操縱子都會(huì)處于有活性狀態(tài)。Hut操縱子的每一個(gè)啟動(dòng)子上都有cAMP-CAP結(jié)合位點(diǎn)，當(dāng)碳供應(yīng)匱乏時(shí)，能合成cAMP，出現(xiàn)cAMP-CAP復(fù)合物，并與操縱區(qū)上的相應(yīng)位點(diǎn)結(jié)合，誘發(fā)基因轉(zhuǎn)錄。雖然尚不清楚氮源缺乏時(shí)的信號(hào)是什么，但它很可能也是一個(gè)正效應(yīng)子。4.多啟動(dòng)子調(diào)控的操縱子

I．rRNA操縱子

大腸桿菌rRNA操縱子（rrnE）上有兩個(gè)啟動(dòng)子，P1和P2。P1是強(qiáng)啟動(dòng)子，營(yíng)養(yǎng)充沛時(shí)，由P1起始的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物比由P2起始的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物高3-5倍。當(dāng)營(yíng)養(yǎng)匱乏時(shí)，P1的作用被抑制，但P2仍有功能。II.核糖體蛋白SI操縱子

核糖體蛋白SI操縱子（rpsA），它也受應(yīng)急反應(yīng)調(diào)節(jié)。RpsA有4個(gè)啟動(dòng)子，P1、P2是強(qiáng)啟動(dòng)子，平時(shí)主要依靠它們來(lái)啟動(dòng)基因的表達(dá)，合成SI蛋白。P3、P4是弱啟動(dòng)子，只有在緊急情況下，P1、P2啟動(dòng)子受ppGpp的抑制，由P