Operon L-arabinózy - L-arabinose operon

The Operon L-arabinózy, také nazývaný ara nebo araBAD operon, je operon potřebné k rozpadu pět uhlíkového cukru L-arabinóza v Escherichia coli.[1] Operon L-arabinózy obsahuje tři strukturní geny: Arab, araA, araD (souhrnně označováno jako araBAD), které kódují tři metabolické enzymy které jsou vyžadovány pro metabolismus L-arabinózy.[2] AraB (ribulokináza ), AraA (an izomeráza ), AraD (an epimeráza ) produkované těmito geny katalyzují konverzi L-arabinózy na středně pokročilí z pentóza fosfátová cesta, D-xylulóza-5-fosfát.[2]

Strukturní geny L-arabinózového operonu jsou přepsány z běžné promotér do jednoho přepis, a mRNA.[3] Exprese L-arabinózového operonu je řízena jako jedna jednotka produktem regulační gen araC a protein aktivátoru katabolitu (VÍČKO)-tábor komplex.[4] Regulátor protein AraC je citlivý na hladinu arabinózy a hraje dvojí roli aktivátor v přítomnosti arabinózy a represor v nepřítomnosti arabinózy regulovat expresi araBAD.[5] AraC protein řídí nejen expresi araBAD ale také automaticky reguluje svůj vlastní výraz na vysokých úrovních AraC.[6]

Struktura

Operon L-arabinózy se skládá ze strukturních genů a regulačních oblastí včetně oblasti operátora (araO1, araO2) a oblast iniciátoru (AraI1, araI2).[7] Strukturální geny, Arab, araA a araD, kódují enzymy pro L-arabinózu katabolismus. Existuje také vazebné místo CAP, kde se komplex CAP-cAMP váže a usnadňuje represe katabolitů a vede k pozitivní regulaci araBAD když buňka hladoví glukóza.[8]

Struktura L-arabinózového operonu E-coli.

Regulační gen, araC, je umístěn před L-arabinózovým operonem a kóduje arabinózově reagující regulační protein AraC. Oba araC a araBAD mít diskrétní promotér, kde RNA polymeráza váže a iniciuje transkripce.[4] araBAD a araC jsou přepsány v opačných směrech od araBAD promotér (PŠPATNÝ) a araC promotér (PC).[2]

Funkce

Metabolická cesta L-arabinózy působením tří enzymů, které jsou kódovány araBAD operon.
Katabolismus arabinózy v E-coli
PodkladEnzym (y)FunkceReverzibilníProdukt
L-arabinózaAraAIzomerázaAnoL-ribulosa
L-ribulózaArabRibulokinázaNeL-ribulosa-5-fosfát
L-ribulóza-5-fosfátAraDEpimerázaAnoD-xylulóza-5-fosfát

Jak L-ribulóza-5-fosfát, tak D-xylulóza-5-fosfát jsou metabolity pentóza fosfátová cesta, který spojuje metabolismus 5-uhlíkové cukry k tomu z 6-uhlíkové cukry.[6]

Nařízení

Struktura monomeru AraC

Systém L-arabinózy je nejen pod kontrolou aktivátoru CAP-cAMP, ale také pozitivně nebo negativně regulován vazbou proteinu AraC. AraC funguje jako a homodimer, který může řídit transkripci araBAD prostřednictvím interakce s operátorem a oblastí iniciátoru na operonu L-arabinózy. Každý AraC monomer se skládá ze dvou domén včetně a DNA vazebná doména a a dimerizace doména.[9] Dimerizační doména je zodpovědná za vazbu arabinózy.[10]AraC prochází konformační změna po vazbě arabinózy, ve které má dvě odlišné konformace.[6] Konformace je čistě určena vazbou alosterický induktor arabinóza.[11]

AraC může také negativně autoregulovat svůj vlastní výraz, když je koncentrace AraC příliš vysoká. Syntéza AraC je potlačena vazbou dimerního AraC na oblast operátora (araO1).

Negativní regulace araBAD

Negativní regulace operonu L-arabinózy prostřednictvím proteinu AraC

Když arabinóza chybí, buňky nepotřebují araŠPATNÝ produkty pro štěpení arabinózy. Dimerní AraC proto působí jako represor: jeden monomer se váže na operátora araBAD gen (araO2), další monomer se váže na vzdálený DNA poloviční stránka známá jako araI1.[12] To vede k vytvoření smyčky DNA.[13] Tato orientace blokuje navázání RNA polymerázy na araBAD promotér.[14] Proto transkripce strukturního genu araBAD je potlačen.[15]

Pozitivní regulace araBAD

Pozitivní regulace L-arabinózového operonu prostřednictvím dimerní AraC a CAP / cAMP

Vyjádření araBAD operon se aktivuje v nepřítomnosti glukózy a v přítomnosti arabinózy. Pokud je přítomna arabinóza, AraC a CAP spolupracují a fungují jako aktivátory.[16]

Přes AraC

AraC působí jako aktivátor v přítomnosti arabinózy. AraC prochází konformační změnou, když se arabinóza váže na dimerizační doménu AraC. Ve výsledku komplex AraC-arabinóza odpadá araO2 a rozbije smyčku DNA. Proto je to více energeticky příznivé pro vazbu AraC-arabinózy na dvě sousední poloviční místa DNA: AraI1 a AraI2 v přítomnosti arabinózy. Jeden z monomerů se váže AraI1, zbývající monomer se váže AraI2 - jinými slovy, vazba AraC na araI2 je alostericky vyvolané arabinózou. Jeden z monomerů AraC poblíž místa araBAD promotor v této konfiguraci, který pomáhá rekrutovat RNA polymerázu do promotoru k zahájení transkripce.[17]

Prostřednictvím CAP / cAMP (potlačování katabolitů)

CAP působí jako transkripční aktivátor pouze v nepřítomnosti E-coli'preferovaný cukr, glukóza.[18] Když glukóza chybí, vysoká hladina komplexu CAP protein / cAMP se váže na vazebné místo CAP, místo mezi AraI1 a araO1.[19] Vazba CAP / cAMP je zodpovědná za otevření DNA smyčky mezi nimi araI1 a araO2, zvýšení vazebné afinity proteinu AraC k araI2 a tím podporuje navázání RNA polymerázy araBAD promotor pro zapnutí výrazu araBAD potřebné pro metabolizaci L-arabinózy.

Autoregulace araC výraz

Autoregulace AraC

Vyjádření araC je negativně regulován svým vlastním proteinovým produktem, AraC. Přebytek AraC se váže na operátora araC gen, araO1, na vysokých úrovních AraC, které fyzicky blokují přístup RNA polymerázy k araC promotér.[20] Proto protein AraC inhibuje svou vlastní expresi při vysokých koncentracích.[16]

Použití v systému exprese proteinů

L-arabinózový operon se zaměřil na výzkum v molekulární biologie od roku 1970 a byl podrobně vyšetřován genetický, biochemické, fyziologický a biotechnické úrovně.[3] Operon L-arabinózy se běžně používá v bílkovinách expresní systém jako araBAD promotor lze použít k produkci cílené exprese za přísné regulace. Spojením araBAD promotor požadovaného genu lze expresi cílového genu regulovat pouze arabinózou: například pGLO plazmid obsahuje a zelený fluorescenční protein gen pod kontrolou PŠPATNÝ promotor, který umožňuje indukci produkce GFP arabinózou.

Viz také

Ostatní operonové systémy v E-coli:

Reference

  1. ^ Voet, Donald & Voet, Judith G. (2011). Biochemie (4. vyd.). Hoboken, NJ: John Wiley & Sons. str.1291 –1294. ISBN  978-0470-57095-1.
  2. ^ A b C Schleif, Robert (2000). "Regulace L-arabinózového operonu z Escherichia coli". Trendy v genetice. 16 (12): 559–565. doi:10.1016 / S0168-9525 (00) 02153-3. PMID  11102706.
  3. ^ A b Watson, James D. (2008). Molekulární biologie genu (6. vyd.). Harlow: Addison-Wesley. 634–635. ISBN  9780321507815.
  4. ^ A b Schleif, Robert (2010). „Protein AraC, regulace l-arabinózového operonu v a mechanismus přepínání světla působení AraC“. Recenze mikrobiologie FEMS. 34 (5): 779–796. doi:10.1111 / j.1574-6976.2010.00226.x. PMID  20491933.
  5. ^ Lobell, R. B .; Schleif, R. F. (1990). "DNA looping and unlooping by AraC protein". Věda. 250 (4980): 528–532. doi:10.1126 / science.2237403. PMID  2237403. S2CID  25017204.
  6. ^ A b C Schleif, Robert (2003). "AraC protein: vztah lásky a nenávisti". BioEssays. 25 (3): 274–282. doi:10.1002 / bies.10237. PMID  12596232.
  7. ^ Schleif, Robert; Lis, John T. (1975). „Regulační oblast l-arabinózového operonu: Fyzikální, genetická a fyziologická studie“. Journal of Molecular Biology. 95 (3): 417–431. doi:10.1016/0022-2836(75)90200-4. PMID  168391.
  8. ^ Ogden, S; Haggerty, D; Stoner, CM; Kolodrubetz, D; Schleif, R (1980). „Operon Escherichia coli L-arabinóza: vazebná místa regulačních proteinů a mechanismus pozitivní a negativní regulace“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 77 (6): 3346–3350. doi:10.1073 / pnas.77.6.3346. PMC  349612. PMID  6251457.
  9. ^ Bustos, S. A; Schleif, R.F (1993). "Funkční domény proteinu AraC". Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 90 (12): 5638–5642. doi:10.1073 / pnas.90.12.5638. PMC  46776. PMID  8516313.
  10. ^ Saviola, B; Seabold, R; Schleif, R.F (1998). "Interakce mezi doménami v AraC". Journal of Molecular Biology. 278 (3): 539–548. doi:10.1006 / jmbi.1998.1712. PMID  9600837.
  11. ^ Griffiths, Anthony J .; Wessler, Susan R. (2015). Úvod do genetické analýzy (11. vydání). New York, NY: Freeman. 413–414. ISBN  9781429276344.
  12. ^ Casadaban, Malcolm J. (1976). „Regulace regulačního genu pro arabinózovou dráhu, araC". Journal of Molecular Biology. 104 (3): 557–566. doi:10.1016/0022-2836(76)90120-0. PMID  781294.
  13. ^ Seabold, Robert R; Schleif, Robert F (1998). "Apo-AraC se aktivně snaží dosáhnout smyčky". Journal of Molecular Biology. 278 (3): 529–538. doi:10.1006 / jmbi.1998.1713. PMID  9600836.
  14. ^ Hendrickson, William; Schleif, Robert (1984). "Nařízení Escherichia coli Operon L-arabinózy studovaný gelovou elektroforézou DNA vazebným testem “. Journal of Molecular Biology. 178 (3): 611–628. doi:10.1016/0022-2836(84)90241-9. PMID  6387154.
  15. ^ Weaver, Robert Franklin (2012). Molekulární biologie (5. int. Student ed.). New York: McGraw-Hill. str.183 –186. ISBN  9780071316866.
  16. ^ A b Snyder, Larry (2013). Molekulární genetika bakterií (4. vyd.). Washington, DC: ASM Press. 487–494. ISBN  9781555816278.
  17. ^ Hartwell, Leland; Hood, Leroy (2010). Genetika: od genů k genomům (4. vydání). Boston: McGraw-Hill Education. str.528. ISBN  9780071102155.
  18. ^ Cox, Michael M .; Doudna, Jennifer A .; O'Donnell, Michael E. (2012). Molekulární biologie: principy a praxe (International ed.). New York: W.H. Freemane. 707–708. ISBN  9781464102257.
  19. ^ Griffiths, Anthony J.F. (2002). Moderní genetická analýza: integrace genů a genomů (2. vyd.). New York: W.H. Freemane. str.432–433. ISBN  0716743825.
  20. ^ Lee, N. L; Gielow, W.O .; Wallace, R. G (1981). "Mechanismus araC autoregulace a domény dvou překrývajících se promotorů, PC a PŠPATNÝ, v regulační oblasti L-arabinózy v Escherichia coli". Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 78 (2): 752–756. doi:10.1073 / pnas.78.2.752. PMC  319880. PMID  6262769.

externí odkazy