L-арабиноза оперон - L-arabinose operon

В L-арабиноза оперон, также называемый ара или же АРАБАД оперон, является оперон требуется для расщепления пятиуглеродного сахара L-арабиноза в кишечная палочка.[1] Оперон L-арабинозы содержит три структурные гены: АРАБ, араА, АРАД (вместе известные как АРАБАД), которые кодируют три метаболический ферменты которые необходимы для метаболизм L-арабинозы.[2] АРАБ (рибулокиназа ), AraA (ан изомераза ), AraD (ан эпимераза ), продуцируемые этими генами, катализируют превращение L-арабинозы в средний из пентозофосфатный путь, D-ксилулозо-5-фосфат.[2]

Структурные гены оперона L-арабинозы транскрибируются из общей промоутер в один стенограмма, а мРНК.[3] Экспрессия оперона L-арабинозы контролируется как единое целое с помощью продукта регуляторный ген АРАК и белок-активатор катаболита (КОЛПАЧОК)-лагерь сложный.[4] Регулятор белок AraC чувствителен к уровню арабинозы и играет двойную роль как активатор в присутствии арабинозы и репрессор в отсутствие арабинозы регулировать экспрессию АРАБАД.[5] Белок AraC не только контролирует экспрессию АРАБАД но также саморегулирует свою экспрессию на высоких уровнях AraC.[6]

Структура

Оперон L-арабинозы состоит из структурных генов и регуляторных областей, включая операторскую область (араО1, араО2) и область-инициатор (АРАИ1, АРАИ2).[7] Структурные гены, араб, араА и АРАД, кодируют ферменты L-арабинозы катаболизм. Существует также сайт связывания CAP, где комплекс CAP-cAMP связывается и способствует катаболическая репрессия, и приводит к положительному регулированию АРАБАД когда клетка голодает глюкоза.[8]

Структура оперона L-арабинозы Кишечная палочка.

Регуляторный ген, АРАК, расположен выше оперона L-арабинозы и кодирует реагирующий на арабинозу регуляторный белок AraC. Обе АРАК и АРАБАД есть дискретный промоутер, где РНК-полимераза связывает и инициирует транскрипция.[4] АРАБАД и АРАК транскрибируются в противоположных направлениях от АРАБАД промоутер (пПЛОХО) и АРАК промоутер (пC) соответственно.[2]

Функция

Метаболический путь L-арабинозы за счет действия трех ферментов, которые кодируются АРАБАД оперон.
Катаболизм арабинозы в Кишечная палочка
СубстратФермент (ы)ФункцияОбратимыйТовар
L-арабинозаAraAИзомеразадаL-рибулоза
L-рибулозаАРАБРибулокиназаНетL-рибулозо-5-фосфат
L-рибулозо-5-фосфатAraDЭпимеразадаD-ксилулозо-5-фосфат

И L-рибулозо-5-фосфат, и D-ксилулозо-5-фосфат являются метаболитами пентозофосфатный путь, который связывает метаболизм 5-углеродные сахара к тому из 6-углеродные сахара.[6]

Регулирование

Структура мономера AraC

Система L-арабинозы не только находится под контролем активатора CAP-cAMP, но также положительно или отрицательно регулируется посредством связывания белка AraC. AraC функционирует как гомодимер, который может контролировать транскрипцию АРАБАД через взаимодействие с оператором и участком инициатора на опероне L-арабинозы. Каждый AraC мономер состоит из двух доменов, включая ДНК-связывающий домен и димеризация домен.[9] Домен димеризации отвечает за связывание арабинозы.[10]AraC проходит конформационное изменение при связывании арабинозы, в котором он имеет две различные конформации.[6] Конформация определяется исключительно связыванием аллостерический индуктор арабиноза.[11]

AraC также может отрицательно саморегулировать свою экспрессию, когда концентрация AraC становится слишком высокой. Синтез AraC подавляется за счет связывания димерного AraC с областью оператора (араО1).

Отрицательное регулирование АРАБАД

Отрицательная регуляция оперона L-арабинозы через белок AraC

Когда арабиноза отсутствует, клетки не нуждаются в араПЛОХО продукты для расщепления арабинозы. Следовательно, димерный AraC действует как репрессор: один мономер связывается с оператором АРАБАД ген (араО2), другой мономер связывается с далеким ДНК половина сайта известна как АРАИ1.[12] Это приводит к образованию петли ДНК.[13] Эта ориентация блокирует связывание РНК-полимеразы с АРАБАД промоутер.[14] Следовательно, транскрипция структурного гена АРАБАД заблокирован.[15]

Положительное регулирование АРАБАД

Положительная регуляция оперона L-арабинозы через димерный AraC и CAP / cAMP

Выражение АРАБАД оперон активируется в отсутствие глюкозы и в присутствии арабинозы. Когда присутствует арабиноза, и AraC, и CAP работают вместе и действуют как активаторы.[16]

Через AraC

В присутствии арабинозы AraC действует как активатор. AraC претерпевает конформационные изменения, когда арабиноза связывается с доменом димеризации AraC. В результате комплекс AraC-арабиноза отваливается от араО2 и разрывает петлю ДНК. Следовательно, это больше энергично благоприятно для связывания AraC-арабинозы с двумя соседними полусайтами ДНК: АРАИ1 и АРАИ2 в присутствии арабинозы. Один из мономеров связывает АРАИ1, оставшийся мономер связывает АРАИ2 - другими словами, привязка AraC к АРАИ2 является аллостерически индуцированный арабинозой. Один из мономеров AraC находится рядом с АРАБАД промотор в этой конфигурации, который помогает привлечь РНК-полимеразу к промотору для инициации транскрипции.[17]

Через CAP / cAMP (катаболическая репрессия)

CAP действует как активатор транскрипции только в отсутствие E. coli 's предпочтительнее сахар, глюкоза.[18] Когда глюкоза отсутствует, высокий уровень комплекса белок CAP / цАМФ связывается с сайтом связывания CAP, сайтом между АРАИ1 и араО1.[19] Связывание CAP / cAMP отвечает за открытие петли ДНК между АРАИ1 и араО2, увеличивая сродство связывания белка AraC с АРАИ2 и тем самым способствуя связыванию РНК-полимеразы с АРАБАД промоутер, чтобы включить выражение АРАБАД требуется для метаболизма L-арабинозы.

Саморегуляция АРАК выражение

Ауторегуляция AraC

Выражение АРАК отрицательно регулируется собственным белковым продуктом AraC. Избыток AraC связывается с оператором АРАК ген, араО1, на высоких уровнях AraC, что физически блокирует доступ РНК-полимеразы к АРАК промоутер.[20] Следовательно, белок AraC подавляет собственную экспрессию при высоких концентрациях.[16]

Использование в системе экспрессии белка

Оперон L-арабинозы был в центре внимания исследований в молекулярная биология с 1970 г. и широко исследуется на его генетический, биохимический, физиологический и биотехнический уровень.[3] Оперон L-арабинозы обычно используется в белках. система экспрессии, как АРАБАД промотор можно использовать для получения целевой экспрессии при жесткой регуляции. Путем слияния АРАБАД промотора интересующего гена, экспрессия целевого гена может регулироваться исключительно арабинозой: например, pGLO плазмида содержит зеленый флуоресцентный белок ген под контролем пПЛОХО промотор, позволяющий индуцировать продукцию GFP арабинозой.

Смотрите также

Другие оперонные системы в Кишечная палочка:

Рекомендации

  1. ^ Воет, Дональд и Воет, Джудит Г. (2011). Биохимия (4-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: Джон Уайли и сыновья. стр.1291 –1294. ISBN  978-0470-57095-1.
  2. ^ а б c Шлейф, Роберт (2000). "Регулирование оперона L-арабинозы кишечная палочка". Тенденции в генетике. 16 (12): 559–565. Дои:10.1016 / S0168-9525 (00) 02153-3. PMID  11102706.
  3. ^ а б Уотсон, Джеймс Д. (2008). Молекулярная биология гена (6-е изд.). Харлоу: Эддисон-Уэсли. С. 634–635. ISBN  9780321507815.
  4. ^ а б Шлейф, Роберт (2010). «Белок AraC, регуляция оперона l-арабинозы in и механизм переключения света действия AraC». Обзоры микробиологии FEMS. 34 (5): 779–796. Дои:10.1111 / j.1574-6976.2010.00226.x. PMID  20491933.
  5. ^ Lobell, R. B .; Шлейф, Р. Ф. (1990). «Зацикливание и развязывание ДНК с помощью белка AraC». Наука. 250 (4980): 528–532. Дои:10.1126 / science.2237403. PMID  2237403. S2CID  25017204.
  6. ^ а б c Шлейф, Роберт (2003). «Белок AraC: отношения любви и ненависти». BioEssays. 25 (3): 274–282. Дои:10.1002 / bies.10237. PMID  12596232.
  7. ^ Шлейф, Роберт; Лис, Джон Т. (1975). «Регуляторная область оперона l-арабинозы: физическое, генетическое и физиологическое исследование». Журнал молекулярной биологии. 95 (3): 417–431. Дои:10.1016/0022-2836(75)90200-4. PMID  168391.
  8. ^ Огден, S; Haggerty, D; Стоунер, СМ; Колодрубец, Д; Шлейф, Р. (1980). «Оперон L-арабинозы Escherichia coli: сайты связывания регуляторных белков и механизм положительной и отрицательной регуляции». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 77 (6): 3346–3350. Дои:10.1073 / pnas.77.6.3346. ЧВК  349612. PMID  6251457.
  9. ^ Bustos, S.A; Шлейф, Р. Ф. (1993). «Функциональные домены белка AraC». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 90 (12): 5638–5642. Дои:10.1073 / пнас.90.12.5638. ЧВК  46776. PMID  8516313.
  10. ^ Савиола, Б; Сиболд, R; Шлейф, Р. Ф. (1998). «Взаимодействие с доменом руки в AraC». Журнал молекулярной биологии. 278 (3): 539–548. Дои:10.1006 / jmbi.1998.1712. PMID  9600837.
  11. ^ Гриффитс, Энтони Дж .; Весслер, Сьюзан Р. (2015). Введение в генетический анализ (11-е изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Фриман. С. 413–414. ISBN  9781429276344.
  12. ^ Касадабан, Малкольм Дж. (1976). "Регулирование регуляторного гена пути арабинозы, АРАК". Журнал молекулярной биологии. 104 (3): 557–566. Дои:10.1016/0022-2836(76)90120-0. PMID  781294.
  13. ^ Сиболд, Роберт Р.; Шлейф, Роберт Ф (1998). «Apo-AraC активно стремится замкнуть петлю». Журнал молекулярной биологии. 278 (3): 529–538. Дои:10.1006 / jmbi.1998.1713. PMID  9600836.
  14. ^ Хендриксон, Уильям; Шлейф, Роберт (1984). "Регулирование кишечная палочка Оперон L-арабинозы изучен с помощью гель-электрофореза в анализе связывания ДНК ». Журнал молекулярной биологии. 178 (3): 611–628. Дои:10.1016/0022-2836(84)90241-9. PMID  6387154.
  15. ^ Уивер, Роберт Франклин (2012). Молекулярная биология (5-е международное студенческое изд.). Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. стр.183 –186. ISBN  9780071316866.
  16. ^ а б Снайдер, Ларри (2013). Молекулярная генетика бактерий (4-е изд.). Вашингтон, округ Колумбия: ASM Press. С. 487–494. ISBN  9781555816278.
  17. ^ Хартвелл, Лиланд; Худ, Лерой (2010). Генетика: от генов к геномам (4-е изд.). Бостон: McGraw-Hill Education. п.528. ISBN  9780071102155.
  18. ^ Кокс, Майкл М .; Дудна, Дженнифер А .; О'Доннелл, Майкл Э. (2012). Молекулярная биология: принципы и практика (Международное изд.). Нью-Йорк: W.H. Фримен. С. 707–708. ISBN  9781464102257.
  19. ^ Гриффитс, Энтони Дж. Ф. (2002). Современный генетический анализ: интеграция генов и геномов (2-е изд.). Нью-Йорк: W.H. Фримен. стр.432–433. ISBN  0716743825.
  20. ^ Ли, Н. Л.; Gielow, W.O; Уоллес, Р. Г. (1981). "Механизм АРАК ауторегуляция и домены двух перекрывающихся промоторов, пc и пПЛОХО, в регуляторной области L-арабинозы кишечная палочка". Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 78 (2): 752–756. Дои:10.1073 / пнас.78.2.752. ЧВК  319880. PMID  6262769.

внешняя ссылка