阿拉伯糖操纵子

1、 l 在大肠杆菌中阿拉伯糖的降解需要在大肠杆菌中阿拉伯糖的降解需要3个基因：个基因：araB、 araA和和araD，它们形成一个基因簇，简写为，它们形成一个基因簇，简写为araBAD l E.Coli 的的ara操纵子（操纵子（arabinose operon）中的）中的 araB基因、基因、araA基因和基因和araD基因分别编码阿拉伯糖代谢基因分别编码阿拉伯糖代谢 需要的三种酶：需要的三种酶： l 核酮糖激酶核酮糖激酶（ribulose kinase），）， l 阿拉伯糖异构酶阿拉伯糖异构酶（arabinose isomerase） l 核酮糖核酮糖-5-磷酸差向异构酶磷酸差向异构酶（r

2、ibulose-5-phosphate eimerase）。）。 三个基因的表达受到三个基因的表达受到ara操纵子中第操纵子中第4个基因个基因araC 产产 物转录因子物转录因子AraC的调控。的调控。 lara操纵子的调控有三个特点：操纵子的调控有三个特点： l第一，第一，araC表达受到表达受到AraC的自动调控。的自动调控。 l第二，第二，AraC既既可充当阻遏物，也可作为激活剂。可充当阻遏物，也可作为激活剂。 l第三，第三，AraC与与CAP结合可充分诱导结合可充分诱导ara操纵子。操纵子。 l 与与araBAD相邻的是一个复合的启动子区域相邻的是一个复合的启动子区域 和一个调节基因和

3、一个调节基因araC，这个，这个AraC蛋白同时显示蛋白同时显示 正、负调节因子的功能。正、负调节因子的功能。AraBAD和和araC基因基因 的转录是分别在两条链上以相反的方向进行的。的转录是分别在两条链上以相反的方向进行的。 在标准的遗传学图谱上，在标准的遗传学图谱上，araBAD基因簇从启动基因簇从启动 子子PBAD开始向右进行转录，而开始向右进行转录，而araC基因则是从基因则是从 Pc向左转录。向左转录。 l AraC蛋白作为蛋白作为PBAD活性正、负调节因子的双重功能是活性正、负调节因子的双重功能是 通过该蛋白的通过该蛋白的两种异构体两种异构体来实现的。来实现的。Pr是起阻遏作用是

4、起阻遏作用的形的形 式，可以与现在尚未鉴定的类操纵区位点相结合，而式，可以与现在尚未鉴定的类操纵区位点相结合，而Pi是是 起诱导作用起诱导作用的形式，它通过与的形式，它通过与PBAD启动子结合进行调节。启动子结合进行调节。 l 在没有阿拉伯糖时，在没有阿拉伯糖时，Pr形式占优势；一旦有阿拉伯糖形式占优势；一旦有阿拉伯糖 存在，它就能够与存在，它就能够与AraC蛋白结合，使平衡趋向于蛋白结合，使平衡趋向于Pi形式。形式。 这样，阿拉伯糖的诱导作用就可以解释为阿拉伯糖与这样，阿拉伯糖的诱导作用就可以解释为阿拉伯糖与Pr的的 结合，使结合，使Pr离开它的结合位点，然后，产生大量的离开它的结合位点，然

5、后，产生大量的Pi，并，并 与启动子结合。与启动子结合。 l 因为培养基中含有葡萄糖，所以因为培养基中含有葡萄糖，所以cAMP-CAP没有与操纵没有与操纵 区位点相结合，区位点相结合，AraC蛋白处于蛋白处于Pr形式并与形式并与A位点结合，位点结合，RNA 聚合酶很少再与聚合酶很少再与Pc结合，结合，araC基因虽然仍有转录，但受到抑基因虽然仍有转录，但受到抑 制，只有少量制，只有少量 AraC蛋白形成，整个系统几乎处于静止状态。蛋白形成，整个系统几乎处于静止状态。 l l 没有葡萄糖，也没有阿拉伯糖，因为没有诱导物，尽管没有葡萄糖，也没有阿拉伯糖，因为没有诱导物，尽管 有有cAMP-CAP与

6、操纵区位点相结合，与操纵区位点相结合，AraC蛋白仍以蛋白仍以Pr形式形式 为主，无法与操纵区为主，无法与操纵区B位点相结合，无位点相结合，无araBAD mRNA转录。转录。 无葡萄糖，有阿拉伯糖时，大量无葡萄糖，有阿拉伯糖时，大量araC基因产物以基因产物以Pi形式存在，形式存在， 并分别与操纵区并分别与操纵区B、A位点相结合，在位点相结合，在cAMP-CAP的共同作的共同作 用下，用下，araC和和araBAD基因大量表达，操纵子充分激活。基因大量表达，操纵子充分激活。 l araC的表达受到自身产物的表达受到自身产物AraC的自动调控。当的自动调控。当 没有阿拉伯糖时，没有阿拉伯糖时，

7、AraC起着一个起着一个转录阻遏物的作用。转录阻遏物的作用。 l 细胞中细胞中AraC蛋白质稳态水平的测量表明，阻遏蛋白质稳态水平的测量表明，阻遏 araC转录大约需要转录大约需要40个个AraC。因此当。因此当AraC蛋白水平蛋白水平 低时（就是说在细胞刚分裂之后），低时（就是说在细胞刚分裂之后），araC将表达直至将表达直至 存在足够的存在足够的AraC去阻遏它的转录。去阻遏它的转录。 l 阿拉伯糖作为阿拉伯糖作为E.ColiE.Coli的碳源，可以诱导的碳源，可以诱导araara操纵子操纵子 的转录。当细胞中葡萄糖水平高（导致的转录。当细胞中葡萄糖水平高（导致cAMPcAMP处于低浓度）

8、处于低浓度） 和阿拉伯糖水平低时，和阿拉伯糖水平低时，AraCAraC阻遏阻遏araBaraB，araAaraA，araDaraD的转录。的转录。 l l 然而当阿拉伯糖水平高，而葡萄糖水平低（然而当阿拉伯糖水平高，而葡萄糖水平低（cAMPcAMP高）高） 时，时，CAP-cAMPCAP-cAMP复合物能够与复合物能够与araara操纵子中的操纵子中的CAPCAP结合部位结结合部位结 合，使合，使DNADNA突环打开。突环打开。 l l 阿拉伯糖的作用象阿拉伯糖的作用象AraCAraC的一个调控器，可将的一个调控器，可将 AraCAraC由一个阻遏物转换为一个激活剂。阿拉伯糖与由一个阻遏物转换

9、为一个激活剂。阿拉伯糖与 AraCAraC结合似乎改变了结合似乎改变了AraCAraC同源二聚体化特性和促进同源二聚体化特性和促进 了了AraC-CAPAraC-CAP复合物的形成。在这样的条件下，复合物的形成。在这样的条件下，AraCAraC 阿拉伯糖的作用象是一个转录激活剂，这正是阿拉伯糖的作用象是一个转录激活剂，这正是 CAP-cAMPCAP-cAMP诱导诱导araBaraB，araAaraA，araDaraD转录所需要的。转录所需要的。 l当由于当由于araBAD编码的蛋白质的代谢使得阿拉伯糖编码的蛋白质的代谢使得阿拉伯糖 水平下降时，水平下降时，AraC又转换成一个阻遏物，同时又转换

10、成一个阻遏物，同时 araBAD转录减少，此时尽管转录减少，此时尽管CAP-cAMP复合物仍复合物仍 然存在于细胞中。有趣的是，当葡萄糖和阿拉伯糖然存在于细胞中。有趣的是，当葡萄糖和阿拉伯糖 都很丰富时，都很丰富时，ara操纵子被阻遏，但阻遏的道理现在操纵子被阻遏，但阻遏的道理现在 还不完全清楚，还不完全清楚，但这个结果表明但这个结果表明araBAD诱导与诱导与 AraC-阿拉伯糖和阿拉伯糖和CAP-cAMP复合物都有关。复合物都有关。 l When the araC protein is bound to the operator araO1, transcription from PC i

11、s prevented. l When arabinose levels are low, the AraC protein acts as a repressor and binds to two operator sites, araO1 and araO2, as well as to araI. l Binding to araO1 inhibits transcription of the araC gene itself. Thus, araC is autoregulated at the level of its own transcription. AraC molecule

12、s bound to araO2 and araI interact with each other to form a DNA loop. l This structure causes repression of transcription of the araBAD genes. l1. Coordinated expression of Arabinose Isomerase, ribulokinase, and an epimerase in response to arabinose diet in E. Coli in absence of glucose. (Ara A, Ar

13、a B, Ara D). lGene organization deduced from genetics. Two operators (Ara O1 and Ara O2) control expression of the BAD genes. l2. Ara C codes for a protein (C-protein) which mediates repression of BAD expression by binding to Ara O2. l3. C-Protein also represses its own synthesis at low concentratio

14、ns of cAMP and represses BAD expression unless arabinose is present. la. C-Protein footprint at three sites (Ara O1, Ara O2, and Ara I) -in absence of aribinose and presence of glucose (low cAMP). l4. However genetically both AraI and AraO2 needed to inhibit BAD expression - proposed that Ara C prot

15、ein binds simultaneously to AraI and AraO2. l lWhen arabinose present, BAD expression is enhanced but C-protein synthesis still repressed. (absence of glucose, hi cAMP) la. Under this condition still see footprinting at same three sites of DNA. Found under this condition, CAP site is also bound with CAP protein and cAMP (so C- protein can act either as an repressor or an activator depending on presence of arabinose.） lb.