阿拉伯糖操纵子

在大肠杆菌中阿拉伯糖的降解需要3个基因：araB、araA和araD，它们形成一个基因簇，简写为araBAD

E.Coli的ara操纵子（arabinoseoperon）中的araB基因、araA基因和araD基因分别编码阿拉伯糖代谢需要的三种酶：

核酮糖激酶（ribulosekinase），阿拉伯糖异构酶（arabinoseisomerase）核酮糖-5-磷酸差向异构酶（ribulose-5-phosphateeimerase）。三个基因的表达受到ara操纵子中第4个基因araC产物转录因子AraC的调控。

第一页，共24页。ara操纵子的调控有三个特点：第一，araC表达受到AraC的自动调控。第二，AraC既可充当阻遏物，也可作为激活剂。第三，AraC与CAP结合可充分诱导ara操纵子。

第二页，共24页。与araBAD相邻的是一个复合的启动子区域和一个调节基因araC，这个AraC蛋白同时显示正、负调节因子的功能。AraBAD和araC基因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，araBAD基因簇从启动子PBAD开始向右进行转录，而araC基因则是从Pc向左转录。第三页，共24页。第四页，共24页。第五页，共24页。

AraC蛋白作为PBAD活性正、负调节因子的双重功能是通过该蛋白的两种异构体来实现的。Pr是起阻遏作用的形式，可以与现在尚未鉴定的类操纵区位点相结合，而Pi是起诱导作用的形式，它通过与PBAD启动子结合进行调节。在没有阿拉伯糖时，Pr形式占优势；一旦有阿拉伯糖存在，它就能够与AraC蛋白结合，使平衡趋向于Pi形式。这样，阿拉伯糖的诱导作用就可以解释为阿拉伯糖与Pr的结合，使Pr离开它的结合位点，然后，产生大量的Pi，并与启动子结合。第六页，共24页。因为培养基中含有葡萄糖，所以cAMP-CAP没有与操纵区位点相结合，AraC蛋白处于Pr形式并与A位点结合，RNA聚合酶很少再与Pc结合，araC基因虽然仍有转录，但受到抑制，只有少量AraC蛋白形成，整个系统几乎处于静止状态。

没有葡萄糖，也没有阿拉伯糖，因为没有诱导物，尽管有cAMP-CAP与操纵区位点相结合，AraC蛋白仍以Pr形式为主，无法与操纵区B位点相结合，无araBADmRNA转录。无葡萄糖，有阿拉伯糖时，大量araC基因产物以Pi形式存在，并分别与操纵区B、A位点相结合，在cAMP-CAP的共同作用下，araC和araBAD基因大量表达，操纵子充分激活。第七页，共24页。第八页，共24页。araC的表达受到自身产物AraC的自动调控。当没有阿拉伯糖时，AraC起着一个转录阻遏物的作用。细胞中AraC蛋白质稳态水平的测量表明，阻遏araC转录大约需要40个AraC。因此当AraC蛋白水平低时（就是说在细胞刚分裂之后），araC将表达直至存在足够的AraC去阻遏它的转录。

第九页，共24页。

阿拉伯糖作为E.Coli的碳源，可以诱导ara操纵子的转录。当细胞中葡萄糖水平高（导致cAMP处于低浓度）和阿拉伯糖水平低时，AraC阻遏araB，araA，araD的转录。

然而当阿拉伯糖水平高，而葡萄糖水平低（cAMP高）时，CAP-cAMP复合物能够与ara操纵子中的CAP结合部位结合，使DNA突环打开。

第十页，共24页。阿拉伯糖的作用象AraC的一个调控器，可将AraC由一个阻遏物转换为一个激活剂。阿拉伯糖与AraC结合似乎改变了AraC同源二聚体化特性和促进了AraC-CAP复合物的形成。在这样的条件下，AraC－阿拉伯糖的作用象是一个转录激活剂，这正是CAP-cAMP诱导araB，araA，araD转录所需要的。

第十一页，共24页。当由于araBAD编码的蛋白质的代谢使得阿拉伯糖水平下降时，AraC又转换成一个阻遏物，同时araBAD转录减少，此时尽管CAP-cAMP复合物仍然存在于细胞中。有趣的是，当葡萄糖和阿拉伯糖都很丰富时，ara操纵子被阻遏，但阻遏的道理现在还不完全清楚，但这个结果表明araBAD诱导与AraC-阿拉伯糖和CAP-cAMP复合物都有关。

第十二页，共24页。第十三页，共24页。WhenthearaCproteinisboundtotheoperatoraraO1,transcriptionfromPCisprevented.Whenarabinoselevelsarelow,theAraCproteinactsasarepressorandbindstotwooperatorsites,araO1andaraO2,aswellastoaraI.BindingtoaraO1inhibitstranscriptionofthearaCgeneitself.Thus,araCisautoregulatedatthelevelofitsowntranscription.AraCmoleculesboundtoaraO2andaraIinteractwitheachothertoformaDNAloop.ThisstructurecausesrepressionoftranscriptionofthearaBADgenes.第十四页，共24页。第十五页，共24页。第十六页，共24页。第十七页，共24页。

ArabinoseOperon

1.CoordinatedexpressionofArabinoseIsomerase,ribulokinase,andanepimeraseinresponsetoarabinose"diet"inE.Coliinabsenceofglucose.(AraA,AraB,AraD).

第十八页，共24页。Geneorganizationdeducedfromgenetics.Twooperators(AraO1andAraO2)controlexpressionoftheBADgenes.

第十九页，共24页。2.AraCcodesforaprotein(C-protein)whichmediatesrepressionofBADexpressionbybindingtoAraO2.

第二十页，共24页。3.C-ProteinalsorepressesitsownsynthesisatlowconcentrationsofcAMPandrepressesBADexpressionunlessarabinoseispresent.

a.C-Proteinfootprintatthreesites(AraO1,AraO2,andAraI)-inabsenceofaribinoseandpresenceofglucose(lowcAMP).

第二十一页，共24页。4.HowevergeneticallybothAraIandAraO2neededtoinhibitBADexpression-proposedthatAraCproteinbindssimultaneouslytoAraIandAraO2.

第二十二页，共24页。Whenarabinosepresent,BADexpressionisenhancedbutC-proteinsynthesisstillrepressed.(absenceofglucose,hicAMP)

a.UnderthisconditionstillseefootprintingatsamethreesitesofDNA.Foundunderthiscondition,CAPsiteisalsoboundwithCAPproteinandcAMP(soC-proteincanacteitherasanrepressororanactivatordependingonpresenceofarabinose.）

b.AnalysisoftheDNAstructureindicatesC-proteinformsaloopintheDNAwhentheCAPsiteisnotfilled.