Оперон L-арабинозы - L-arabinose operon

L-арабинозы оперон , также называется ара или araBAD оперон , является опероном , необходимым для пробоя пять-углеродного сахар L-арабинозов в кишечной палочке . Оперон L-арабинозы содержит три структурных гена : araB , araA , araD (вместе известные как araBAD ), которые кодируют три метаболических фермента , необходимых для метаболизма L-арабинозы. AraB ( рибулокиназа ), AraA ( изомераза ), AraD ( эпимераза ), продуцируемые этими генами, катализируют превращение L-арабинозы в промежуточное соединение пентозофосфатного пути , D-ксилулозо-5-фосфат .

Структурные гены оперона L-арабинозы транскрибируются с общего промотора в один транскрипт - мРНК . Экспрессия оперона L-арабинозы контролируется как единое целое с помощью продукта регуляторного гена araC и комплекса белка-активатора катаболита (CAP) - цАМФ . Белок- регулятор AraC чувствителен к уровню арабинозы и играет двойную роль как активатор в присутствии арабинозы, так и репрессор в отсутствие арабинозы, регулирующий экспрессию araBAD . Белок AraC не только контролирует экспрессию araBAD, но также саморегулирует свою собственную экспрессию на высоких уровнях AraC.

Состав

Оперон L-арабинозы состоит из структурных генов и регуляторных областей, включая область оператора ( araO 1 , araO 2 ) и область инициатора ( araI 1 , araI 2 ). Структурные гены araB , araA и araD кодируют ферменты катаболизма L-арабинозы . Существует также сайт связывания CAP, где комплекс CAP-cAMP связывается и облегчает репрессию катаболитов , что приводит к положительной регуляции araBAD, когда клетке не хватает глюкозы .

Структура оперона L-арабинозы E. coli.

Регуляторный ген, araC , расположен выше оперона L-арабинозы и кодирует реагирующий на арабинозу регуляторный белок AraC. И araC, и araBAD имеют дискретный промотор, в котором РНК-полимераза связывается и инициирует транскрипцию . araBAD и araC транскрибируются в противоположных направлениях от промотора araBAD ( P BAD ) и промотора araC ( P C ) соответственно.

Функция

Метаболический путь L-арабинозы через действие трех ферментов, которые кодируются опероном araBAD .
Катаболизм арабинозы в кишечной палочке
Субстрат Фермент (ы) Функция Обратимый Продукт
L - арабиноза AraA Изомераза да L -рибулоза
L - рибулоза АРАБ Рибулокиназа Нет L- рибулозо-5-фосфат
L - рибулозо-5-фосфат AraD Эпимераза да D- оксилулозо-5-фосфат

И L-рибулозо-5-фосфат, и D-ксилулозо-5-фосфат являются метаболитами пентозофосфатного пути , который связывает метаболизм 5-углеродных сахаров с метаболизмом 6-углеродных сахаров .

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 araBAD посредством взаимодействия с оператором и участком инициатора на опероне L-арабинозы. Каждый мономер AraC состоит из двух доменов, включая домен связывания ДНК и домен димеризации . Домен димеризации отвечает за связывание арабинозы. AraC претерпевает конформационные изменения при связывании арабинозы, в которых он имеет две различные конформации. Конформация полностью определяется связыванием аллостерического индуктора арабинозы.

AraC также может отрицательно саморегулировать свою экспрессию, когда концентрация AraC становится слишком высокой. Синтез AraC подавляется связыванием димерного AraC с операторной областью ( araO 1 ).

Отрицательная регуляция araBAD

Отрицательная регуляция оперона L-арабинозы через белок AraC

Когда арабиноза отсутствует, клеткам не нужны продукты ara BAD для расщепления арабинозы. Таким образом, димерный AraC действует как репрессор: один мономер связывается с оператором araBAD гена ( Arao 2 ), другой мономер связывается с далекой ДНК половины участка известного как Arai 1 . Это приводит к образованию петли ДНК. Эта ориентация блокирует связывание РНК-полимеразы с промотором araBAD . Следовательно, транскрипция структурного гена araBAD подавляется.

Положительная регуляция araBAD

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

Экспрессия оперона araBAD активируется в отсутствие глюкозы и в присутствии арабинозы. Когда присутствует арабиноза, и AraC, и CAP работают вместе и действуют как активаторы.

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 отпадает от araO 2 и разрывает петлю ДНК. Следовательно, для AraC-арабинозы более энергетически выгодно связываться с двумя соседними полусайтами ДНК: araI 1 и araI 2 в присутствии арабинозы. Один из мономеров связывают Arai 1 , остаточный мономер связывает Arai 2 - другие слова, связывание AraC с Arai 2 является аллостерический , индуцированными арабинозами. В этой конфигурации один из мономеров AraC располагается рядом с промотором araBAD , что помогает рекрутировать РНК-полимеразу на промотор для инициации транскрипции.

Через CAP / cAMP (катаболитная репрессия)

CAP действует как активатор транскрипции только в отсутствие сахара, предпочитаемого E. coli , глюкозы. Когда глюкоза отсутствует, высокий уровень комплекса белок CAP / цАМФ связывается с сайтом связывания CAP, сайтом между araI 1 и araO 1 . Связывание CAP / cAMP отвечает за открытие петли ДНК между araI 1 и araO 2 , увеличивая сродство связывания белка AraC с araI 2 и тем самым способствуя связыванию РНК-полимеразы с промотором araBAD, чтобы включить экспрессию araBAD, необходимую для метаболизирует L-арабинозу.

Авторегулировка ARAC выражения

Ауторегуляция AraC

Экспрессия araC негативно регулируется его собственным белковым продуктом, AraC. Избыток AraC связывается с оператором гена araC , araO 1 , на высоких уровнях AraC, что физически блокирует доступ РНК-полимеразы к промотору araC . Следовательно, белок AraC подавляет собственную экспрессию при высоких концентрациях.

Использование в системе экспрессии белка

Оперон L-арабинозы находится в центре внимания молекулярно-биологических исследований с 1970 года и широко исследуется на его генетическом , биохимическом , физиологическом и биотехническом уровнях. Оперон L-арабинозы обычно используется в системе экспрессии белка , поскольку промотор araBAD может использоваться для обеспечения целевой экспрессии при жесткой регуляции. Путем слияния промотора araBAD с интересующим геном экспрессия целевого гена может регулироваться исключительно арабинозой: например, плазмида pGLO содержит ген зеленого флуоресцентного белка под контролем промотора P BAD , что позволяет производить продукцию GFP. индуцированный арабинозой.

Смотрите также

Другие оперонные системы E. coli :

использованная литература

внешние ссылки