L-арабинозный оперон

Оперон L-арабинозы , также называемый ara или araBAD опероном , представляет собой оперон, необходимый для расщепления пятиуглеродного сахара L-арабинозы в Escherichia coli . ^{[ 1 ]} Оперон L-арабинозы содержит три структурных гена : araB , araA , araD (совместно известные как araBAD ), которые кодируют три метаболических фермента , необходимых для метаболизма L-арабинозы. ^{[ 2 ]} AraB ( рибулокиназа ), AraA ( изомераза ) и AraD ( эпимераза ), продуцируемые этими генами, катализируют превращение L-арабинозы в промежуточное соединение пентозофосфатного пути , D- ксилулозо-5-фосфат . ^{[ 2 ]}

Структурные гены оперона L-арабинозы транскрибируются с общего промотора в один транскрипт — мРНК . ^{[ 3 ]} Экспрессия оперона L-арабинозы контролируется как единое целое продуктом регуляторного гена araC и комплекса белок-активатор катаболита (CAP) -цАМФ . ^{[ 4 ]} -регулятор Белок AraC чувствителен к уровню арабинозы и играет двойную роль как активатора в присутствии арабинозы и репрессора в отсутствие арабинозы, регулируя экспрессию araBAD . ^{[ 5 ]} Белок AraC не только контролирует экспрессию araBAD , но также автоматически регулирует собственную экспрессию при высоких уровнях AraC. ^{[ 6 ]}

Структура

L-арабинозный оперон состоит из структурных генов и регуляторных областей, включая операторную область ( araO ₁ , araO ₂ ) и инициаторную область ( araI ₁ , araI ₂ ). ^{[ 7 ]} Структурные гены araB , araA и araD кодируют ферменты катаболизма L-арабинозы . Существует также сайт связывания CAP, где комплекс CAP-cAMP связывается и облегчает катаболитную репрессию , что приводит к положительной регуляции araBAD , когда клетка испытывает недостаток глюкозы . ^{[ 8 ]}

Регуляторный ген araC расположен выше оперона L-арабинозы и кодирует чувствительный к арабинозе регуляторный белок AraC. И araC , и araBAD имеют отдельный промотор, с которым связывается РНК-полимераза и инициирует транскрипцию . ^{[ 4 ]} araBAD и araC транскрибируются в противоположных направлениях от araBAD ( PBAD ₎ и промотора araC ( PC _{промотора} ) соответственно. ^{[ 2 ]}

Функция

araA кодирует L-арабинозоизомеразу , которая катализирует изомеризацию L -арабинозы и L-рибулозы .
araB кодирует рибулокиназу , которая катализирует фосфорилирование L-рибулозы с образованием L- рибулозо-5-фосфата .
araD кодирует L-рибулозо-5-фосфат-4-эпимеразу , которая катализирует эпимеризацию между L-рибулозо-5-фосфатом и D- ксилулозо-5-фосфатом .

Катаболизм арабинозы в *E. coli*
Субстрат	Фермент(ы)	Функция	Двусторонний	Продукт
L - арабиноза	Увы	Изомераза	Да	L -рибулоза
L - рибулоза	Араб	Рибулокиназа	Нет	L -рибулозо-5-фосфат
L - рибулозо-5-фосфат	АраД	Эпимераза	Да	D- ксилулозо-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 . ^{[ 6 ]}

Регулирование

Система L-арабинозы не только находится под контролем активатора CAP-cAMP, но также позитивно или негативно регулируется посредством связывания белка AraC. AraC функционирует как гомодимер , который может контролировать транскрипцию araBAD посредством взаимодействия с оператором и областью инициатора оперона L-арабинозы. Каждый мономер AraC состоит из двух доменов, включая ДНК-связывающий домен и домен димеризации . ^{[ 9 ]} Домен димеризации отвечает за связывание арабинозы. ^{[ 10 ]} AraC претерпевает конформационные изменения при связывании арабинозы, при этом он имеет две различные конформации. ^{[ 6 ]} Конформация определяется исключительно связыванием аллостерического индуктора арабинозы. ^{[ 11 ]}

AraC также может отрицательно саморегулировать собственную экспрессию, когда концентрация AraC становится слишком высокой. Синтез AraC подавляется за счет связывания димерного AraC с операторной областью ( araO ₁ ).

Негативная регуляция araBAD

Когда арабиноза отсутствует, клеткам не нужны продукты ara _BAD для расщепления арабинозы. Таким образом, димерный AraC действует как репрессор: один мономер связывается с оператором гена araBAD ( araO ₂ ), другой мономер связывается с удаленным ДНК, полусайтом известным как araI ₁ . ^{[ 12 ]} Это приводит к образованию петли ДНК. ^{[ 13 ]} Такая ориентация блокирует связывание РНК-полимеразы с промотором araBAD . ^{[ 14 ]} Следовательно, транскрипция структурного гена araBAD ингибируется. ^{[ 15 ]}

Положительная регуляция araBAD

Экспрессия оперона araBAD активируется в отсутствие глюкозы и в присутствии арабинозы. Когда присутствует арабиноза, AraC и CAP работают вместе и действуют как активаторы. ^{[ 16 ]}

Через АраК

AraC действует как активатор в присутствии арабинозы. AraC претерпевает конформационные изменения, когда арабиноза связывается с доменом димеризации AraC. В результате комплекс AraC-арабиноза отрывается от araO ₂ и разрывает петлю ДНК. Следовательно, AraC-арабинозе энергетически выгоднее связываться с двумя соседними полусайтами ДНК: araI ₁ и araI ₂ в присутствии арабинозы. Один из мономеров связывает araI ₁ , оставшийся мономер связывает araI ₂ - другими словами, связывание AraC с araI ₂ индуцируется аллостерически арабинозой. В этой конфигурации один из мономеров AraC располагается рядом с промотором araBAD , что помогает привлечь к промотору РНК-полимеразу для инициации транскрипции. ^{[ 17 ]}

Через CAP/cAMP (катаболитная репрессия)

CAP действует как активатор транскрипции только в отсутствие предпочтительного сахара E. coli - глюкозы. ^{[ 18 ]} Когда глюкоза отсутствует, высокий уровень комплекса белок CAP/цАМФ связывается с сайтом связывания CAP, сайтом между araI ₁ и araO ₁ . ^{[ 19 ]} Связывание CAP/cAMP отвечает за открытие петли ДНК между araI ₁ и araO ₂ , увеличивая аффинность связывания белка AraC с araI ₂ и тем самым стимулируя связывание РНК-полимеразы с промотором araBAD для включения экспрессии araBAD, необходимого для метаболизируя L-арабинозу.

Авторегуляция AraC

Экспрессия araC отрицательно регулируется его собственным белковым продуктом AraC. Избыток AraC связывается с оператором гена araC , araO ₁ , при высоких уровнях AraC, что физически блокирует доступ РНК-полимеразы к промотору araC . ^{[ 20 ]} Следовательно, белок AraC ингибирует собственную экспрессию в высоких концентрациях. ^{[ 16 ]}

Использование в системе экспрессии белков

Оперон L-арабинозы находится в центре внимания исследований в области молекулярной биологии с 1970 года и широко исследуется на его генетическом , биохимическом , физиологическом и биотехническом уровнях. ^{[ 3 ]} Оперон L-арабинозы обычно используется в системе экспрессии белков , поскольку промотор araBAD можно использовать для обеспечения целевой экспрессии при жесткой регуляции. Путем слияния промотора araBAD с интересующим геном экспрессия целевого гена может регулироваться исключительно арабинозой: например, pGLO плазмида содержит ген зеленого флуоресцентного белка под контролем промотора P _BAD , что позволяет контролировать продукцию GFP. индуцированный арабинозой.

См. также

Другие оперонные системы E. coli :

Ссылки

^ Воэт, Дональд и Воэт, Джудит Г. (2011). Биохимия (4-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons. стр. 1291–1294 . ISBN 978-0470-57095-1 . {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Шляйф, Роберт (2000). «Регуляция L-арабинозного оперона Escherichia coli » . Тенденции в генетике . 16 (12): 559–565. дои : 10.1016/S0168-9525(00)02153-3 . ПМИД 11102706 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Уотсон, Джеймс Д. (2008). Молекулярная биология гена (6-е изд.). Харлоу: Аддисон-Уэсли. стр. 634–635. ISBN 9780321507815 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Шлейф, Роберт (2010). «Белок AraC, регуляция оперона l-арабинозы и механизм переключения света действия AraC» . Обзоры микробиологии FEMS . 34 (5): 779–796. дои : 10.1111/j.1574-6976.2010.00226.x . ПМИД 20491933 .
^ Лобелл, РБ; Шлейф, РФ (1990). «Петля и развязка ДНК с помощью белка AraC». Наука . 250 (4980): 528–532. Бибкод : 1990Sci...250..528L . дои : 10.1126/science.2237403 . ПМИД 2237403 . S2CID 25017204 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Шляйф, Роберт (2003). «Белок AraC: отношения любви и ненависти». Биоэссе . 25 (3): 274–282. дои : 10.1002/bies.10237 . ПМИД 12596232 .
^ 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 . ПМИД 168391 .
^ Огден, С; Хаггерти, Д; Стоунер, CM; Колодрубец, Д; Шлейф, Р. (1980). «Оперон L-арабинозы Escherichia coli: места связывания регуляторных белков и механизм позитивной и негативной регуляции» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 77 (6): 3346–3350. Бибкод : 1980PNAS...77.3346O . дои : 10.1073/pnas.77.6.3346 . ПМК 349612 . ПМИД 6251457 .
^ Бустос, С.А.; Шлейф, РФ (1993). «Функциональные домены белка AraC» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 90 (12): 5638–5642. Бибкод : 1993PNAS...90.5638B . дои : 10.1073/pnas.90.12.5638 . ПМК 46776 . ПМИД 8516313 .
^ Савиола, Б; Сиболд, Р.; Шлейф, РФ (1998). «Взаимодействие между руками и доменами в AraC» . Журнал молекулярной биологии . 278 (3): 539–548. дои : 10.1006/jmbi.1998.1712 . ПМИД 9600837 .
^ Гриффитс, Энтони Дж.; Весслер, Сьюзен Р. (2015). Введение в генетический анализ (11-е изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Фриман. стр. 413–414. ISBN 9781429276344 .
^ Касадабан, Малкольм Дж. (1976). «Регуляция регуляторного гена арабинозного пути, araC ». Журнал молекулярной биологии . 104 (3): 557–566. дои : 10.1016/0022-2836(76)90120-0 . ПМИД 781294 .
^ Сиболд, Роберт Р.; Шляйф, Роберт Ф (1998). «Apo-AraC активно пытается зациклиться» . Журнал молекулярной биологии . 278 (3): 529–538. дои : 10.1006/jmbi.1998.1713 . ПМИД 9600836 .
^ Хендриксон, Уильям; Шлейф, Роберт (1984). «Регуляция L-арабинозного оперона Escherichia coli , изученная с помощью анализа связывания ДНК с помощью гель-электрофореза». Журнал молекулярной биологии . 178 (3): 611–628. дои : 10.1016/0022-2836(84)90241-9 . ПМИД 6387154 .
^ Уивер, Роберт Франклин (2012). Молекулярная биология (5-й международный студенческий изд.). Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. стр. 183–186 . ISBN 9780071316866 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Снайдер, Ларри (2013). Молекулярная генетика бактерий (4-е изд.). Вашингтон, округ Колумбия: ASM Press. стр. 487–494. ISBN 9781555816278 .
^ Хартвелл, Лиланд; Худ, Лерой (2010). Генетика: от генов к геномам (4-е изд.). Бостон: Образование МакГроу-Хилл. п. 528 . ISBN 9780071102155 .
^ Кокс, Майкл М.; Дудна, Дженнифер А.; О'Доннелл, Майкл Э. (2012). Молекулярная биология: принципы и практика (международное изд.). Нью-Йорк: WH Freeman. стр. 707–708. ISBN 9781464102257 .
^ Гриффитс, Энтони Дж. Ф. (2002). Современный генетический анализ: интеграция генов и геномов (2-е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman. стр. 432–433 . ISBN 0716743825 .
^ Ли, Нью-Йорк; Гилоу, штат Вашингтон; Уоллес, Р.Г. (1981). «Механизм ауторегуляции araC домены двух перекрывающихся промоторов, Pc _и и PBAD _, в регуляторной области L-арабинозы Escherichia coli » . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 78 (2): 752–756. Бибкод : 1981PNAS...78..752L . дои : 10.1073/pnas.78.2.752 . ПМК 319880 . ПМИД 6262769 .

Внешние ссылки

Современный генетический анализ Гриффитса, А.Дж. и др. (онлайн-учебник)
Биохимия Берга, Дж. М. и др. (онлайн-учебник)
Введение в генетический анализ Гриффитса, А.Дж. и др. (онлайн-учебник)

[Voet2011-1] Воэт, Дональд и Воэт, Джудит Г. (2011). Биохимия (4-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons. стр. 1291–1294 . ISBN 978-0470-57095-1 . {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[Schleif2000-2] Перейти обратно: ^а ^б ^с Шляйф, Роберт (2000). «Регуляция L-арабинозного оперона Escherichia coli » . Тенденции в генетике . 16 (12): 559–565. дои : 10.1016/S0168-9525(00)02153-3 . ПМИД 11102706 .

[Watson-3] Перейти обратно: ^а ^б Уотсон, Джеймс Д. (2008). Молекулярная биология гена (6-е изд.). Харлоу: Аддисон-Уэсли. стр. 634–635. ISBN 9780321507815 .

[Schleif2010-4] Перейти обратно: ^а ^б Шлейф, Роберт (2010). «Белок AraC, регуляция оперона l-арабинозы и механизм переключения света действия AraC» . Обзоры микробиологии FEMS . 34 (5): 779–796. дои : 10.1111/j.1574-6976.2010.00226.x . ПМИД 20491933 .

[5] Лобелл, РБ; Шлейф, РФ (1990). «Петля и развязка ДНК с помощью белка AraC». Наука . 250 (4980): 528–532. Бибкод : 1990Sci...250..528L . дои : 10.1126/science.2237403 . ПМИД 2237403 . S2CID 25017204 .

[Schleif2003-6] Перейти обратно: ^а ^б ^с Шляйф, Роберт (2003). «Белок AraC: отношения любви и ненависти». Биоэссе . 25 (3): 274–282. дои : 10.1002/bies.10237 . ПМИД 12596232 .

[Schleif1975-7] 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 . ПМИД 168391 .

[Ogden1980-8] Огден, С; Хаггерти, Д; Стоунер, CM; Колодрубец, Д; Шлейф, Р. (1980). «Оперон L-арабинозы Escherichia coli: места связывания регуляторных белков и механизм позитивной и негативной регуляции» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 77 (6): 3346–3350. Бибкод : 1980PNAS...77.3346O . дои : 10.1073/pnas.77.6.3346 . ПМК 349612 . ПМИД 6251457 .

[Bustos1993-9] Бустос, С.А.; Шлейф, РФ (1993). «Функциональные домены белка AraC» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 90 (12): 5638–5642. Бибкод : 1993PNAS...90.5638B . дои : 10.1073/pnas.90.12.5638 . ПМК 46776 . ПМИД 8516313 .

[Saviola1998-10] Савиола, Б; Сиболд, Р.; Шлейф, РФ (1998). «Взаимодействие между руками и доменами в AraC» . Журнал молекулярной биологии . 278 (3): 539–548. дои : 10.1006/jmbi.1998.1712 . ПМИД 9600837 .

[Griffiths-11] Гриффитс, Энтони Дж.; Весслер, Сьюзен Р. (2015). Введение в генетический анализ (11-е изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Фриман. стр. 413–414. ISBN 9781429276344 .

[Casadaban-12] Касадабан, Малкольм Дж. (1976). «Регуляция регуляторного гена арабинозного пути, araC ». Журнал молекулярной биологии . 104 (3): 557–566. дои : 10.1016/0022-2836(76)90120-0 . ПМИД 781294 .

[Seabold1998-13] Сиболд, Роберт Р.; Шляйф, Роберт Ф (1998). «Apo-AraC активно пытается зациклиться» . Журнал молекулярной биологии . 278 (3): 529–538. дои : 10.1006/jmbi.1998.1713 . ПМИД 9600836 .

[Hendrickson1984-14] Хендриксон, Уильям; Шлейф, Роберт (1984). «Регуляция L-арабинозного оперона Escherichia coli , изученная с помощью анализа связывания ДНК с помощью гель-электрофореза». Журнал молекулярной биологии . 178 (3): 611–628. дои : 10.1016/0022-2836(84)90241-9 . ПМИД 6387154 .

[Weaver2012-15] Уивер, Роберт Франклин (2012). Молекулярная биология (5-й международный студенческий изд.). Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. стр. 183–186 . ISBN 9780071316866 .

[Snyder-16] Перейти обратно: ^а ^б Снайдер, Ларри (2013). Молекулярная генетика бактерий (4-е изд.). Вашингтон, округ Колумбия: ASM Press. стр. 487–494. ISBN 9781555816278 .

[Hartnell-17] Хартвелл, Лиланд; Худ, Лерой (2010). Генетика: от генов к геномам (4-е изд.). Бостон: Образование МакГроу-Хилл. п. 528 . ISBN 9780071102155 .

[Cox-18] Кокс, Майкл М.; Дудна, Дженнифер А.; О'Доннелл, Майкл Э. (2012). Молекулярная биология: принципы и практика (международное изд.). Нью-Йорк: WH Freeman. стр. 707–708. ISBN 9781464102257 .

[Griffiths2002-19] Гриффитс, Энтони Дж. Ф. (2002). Современный генетический анализ: интеграция генов и геномов (2-е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman. стр. 432–433 . ISBN 0716743825 .

[Lee1981-20] Ли, Нью-Йорк; Гилоу, штат Вашингтон; Уоллес, Р.Г. (1981). «Механизм ауторегуляции araC домены двух перекрывающихся промоторов, Pc _и и PBAD _, в регуляторной области L-арабинозы Escherichia coli » . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 78 (2): 752–756. Бибкод : 1981PNAS...78..752L . дои : 10.1073/pnas.78.2.752 . ПМК 319880 . ПМИД 6262769 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]