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operón de L-arabinosa

El operón de L-arabinosa , también llamado operón ara o araBAD , es un operón necesario para la degradación del azúcar de cinco carbonos L-arabinosa en Escherichia coli . [ 1 ] ...

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El operón de L-arabinosa , también llamado operón ara o araBAD , es un operón necesario para la degradación del azúcar de cinco carbonos L-arabinosa en Escherichia coli . [ 1 ] El operón de L-arabinosa contiene tres genes estructurales : araB , araA y araD (conocidos colectivamente como araBAD ), que codifican tres enzimas metabólicas necesarias para el metabolismo de la L-arabinosa. [ 2 ] AraB ( ribuloquinasa ), AraA (una isomerasa ) y AraD (una epimerasa ), producidas por estos genes, catalizan la conversión de L-arabinosa en un intermediario de la vía de las pentosas fosfato , la D- xilulosa-5-fosfato . [ 2 ]

Los genes estructurales del operón de L-arabinosa se transcriben desde un promotor común en un único transcrito , un ARNm . [ 3 ] La expresión del operón de L-arabinosa está controlada como una sola unidad por el producto del gen regulador araC y el complejo proteína activadora de catabolitos (CAP) -AMPc . [ 4 ] La proteína reguladora AraC es sensible al nivel de arabinosa y desempeña una doble función como activador en presencia de arabinosa y represor en ausencia de arabinosa para regular la expresión de araBAD . [ 5 ] La proteína AraC no solo controla la expresión de araBAD , sino que también autorregula su propia expresión a altos niveles de AraC. [ 6 ]

Estructura

El operón de L-arabinosa está compuesto por genes estructurales y regiones reguladoras, incluyendo la región operadora ( araO1 , araO2 ) y la región iniciadora ( araI1 , araI2 ) . [ 7 ] Los genes estructurales, araB , araA y araD , codifican enzimas para el catabolismo de L-arabinosa . También existe un sitio de unión CAP donde el complejo CAP-cAMP se une y facilita la represión catabólica , lo que resulta en una regulación positiva de araBAD cuando la célula está privada de glucosa . [ 8 ]

Estructura del operón de L-arabinosa de E. coli.

El gen regulador, araC , se encuentra corriente arriba del operón de L-arabinosa y codifica la proteína reguladora AraC, sensible a la arabinosa. Tanto araC como araBAD tienen un promotor discreto donde se une la ARN polimerasa e inicia la transcripción . [ 4 ] araBAD y araC se transcriben en direcciones opuestas desde el promotor de araBAD ( P BAD ) y el promotor de araC ( P C ), respectivamente. [ 2 ]

Función

Ruta metabólica de la L-arabinosa mediante la acción de tres enzimas, codificadas por el operón araBAD .

Tanto la L-ribulosa 5-fosfato como la D-xilulosa-5-fosfato son metabolitos de la vía de las pentosas fosfato , que vincula el metabolismo de los azúcares de 5 carbonos con el de los azúcares de 6 carbonos . [ 6 ]

Regulación

Estructura del monómero AraC

El sistema de L-arabinosa no solo está bajo el control del activador CAP-cAMP, sino que también se regula positiva o negativamente mediante la unión de la proteína AraC. AraC funciona como un homodímero que puede controlar la transcripción de araBAD a través de la interacción con el operador y la región iniciadora en el operón de L-arabinosa. Cada monómero de AraC está compuesto por dos dominios, incluyendo un dominio de unión al ADN y un dominio de dimerización . [ 9 ] El dominio de dimerización es responsable de la unión de la arabinosa. [ 10 ] AraC experimenta un cambio conformacional al unirse a la arabinosa, en el cual presenta dos conformaciones distintas. [ 6 ] La conformación está determinada exclusivamente por la unión del inductor alostérico arabinosa. [ 11 ]

AraC también puede autorregular negativamente su propia expresión cuando la concentración de AraC se vuelve demasiado alta. La síntesis de AraC se reprime mediante la unión de AraC dimérico a la región operadora ( araO 1 ).

Regulación negativa de araBAD

Regulación negativa del operón de L-arabinosa a través de la proteína AraC.

Cuando la arabinosa está ausente, las células no necesitan los productos de ara BAD para degradarla. Por lo tanto, la AraC dimérica actúa como represor: un monómero se une al operador del gen araBAD ( araO2 ), y otro monómero se une a una mitad distante del ADN conocida como araI1 . [ 12 ] Esto conduce a la formación de un bucle de ADN. [ 13 ] Esta orientación impide que la ARN polimerasa se una al promotor de araBAD . [ 14 ] Por consiguiente, se inhibe la transcripción del gen estructural araBAD . [ 15 ]

Regulación positiva de araBAD

Regulación positiva del operón de L-arabinosa a través de AraC dimérico y CAP/cAMP

La expresión del operón araBAD se activa en ausencia de glucosa y en presencia de arabinosa. Cuando hay arabinosa presente, tanto AraC como CAP trabajan juntos y funcionan como activadores. [ 16 ]

Vía AraC

AraC actúa como activador en presencia de arabinosa. AraC experimenta un cambio conformacional cuando la arabinosa se une al dominio de dimerización de AraC. Como resultado, el complejo AraC-arabinosa se disocia de araO2 y rompe el bucle de ADN. Por lo tanto, es energéticamente más favorable que AraC-arabinosa se una a dos semisitios de ADN adyacentes: araI1 y araI2 , en presencia de arabinosa. Uno de los monómeros se une a araI1 , el monómero restante se une a araI2 ; en otras palabras, la unión de AraC a araI2 es inducida alostéricamente por la arabinosa. En esta configuración , uno de los monómeros de AraC se ubica cerca del promotor araBAD , lo que ayuda a reclutar la ARN polimerasa al promotor para iniciar la transcripción. [ 17 ]

Mediante CAP/cAMP (represión catabólica)

CAP actúa como un activador transcripcional solo en ausencia del azúcar preferido de E. coli , la glucosa. [ 18 ] Cuando la glucosa está ausente, un alto nivel del complejo proteína CAP/cAMP se une al sitio de unión de CAP, un sitio entre araI 1 y araO 1 . [ 19 ] La unión de CAP/cAMP es responsable de abrir el bucle de ADN entre araI 1 y araO 2 , aumentando la afinidad de unión de la proteína AraC por araI 2 y promoviendo así que la ARN polimerasa se una al promotor araBAD para activar la expresión de araBAD necesaria para metabolizar L-arabinosa.

Autorregulación de la expresión de araC

Autorregulación de AraC

La expresión de araC está regulada negativamente por su propia proteína, AraC. El exceso de AraC se une al operador del gen araC , araO1 , a niveles elevados de AraC, lo que bloquea físicamente el acceso de la ARN polimerasa al promotor de araC . [ 20 ] Por lo tanto, la proteína AraC inhibe su propia expresión a altas concentraciones. [ 16 ]

Uso en sistemas de expresión de proteínas

El operón de L-arabinosa ha sido objeto de investigación en biología molecular desde 1970 y se ha estudiado exhaustivamente a nivel genético , bioquímico , fisiológico y biotécnico. [ 3 ] El operón de L-arabinosa se ha utilizado comúnmente en sistemas de expresión de proteínas , ya que el promotor araBAD puede utilizarse para producir una expresión dirigida bajo una regulación estricta. Al fusionar el promotor araBAD a un gen de interés, la expresión del gen diana puede ser regulada únicamente por arabinosa: por ejemplo, el plásmido pGLO contiene un gen de proteína verde fluorescente bajo el control del promotor P BAD , lo que permite que la producción de GFP sea inducida por arabinosa.

Véase también

Otros sistemas de operones en E. coli :

Referencias

  1. ^ Voet, Donald; Voet, Judith G. (2011). Bioquímica (4ª  ed.). Hoboken, Nueva Jersey: John Wiley & Sons. págs. 1291 –1294. ISBN  978-0470-57095-1.
  2. 1 2 3 Schleif, Robert (2000). "Regulación del operón de L-arabinosa de Escherichia coli " . Trends in Genetics . 16 (12): 559– 565. doi : 10.1016/S0168-9525(00)02153-3 . PMID 11102706 . 
  3. 1 2 Watson, James D. (2008). Biología molecular del gen (6.ª ed.). Harlow: Addison-Wesley. págs. 634–635 . ISBN   9780321507815.
  4. 1 2 Schleif, Robert (2010). "Proteína AraC, regulación del operón l-arabinosa y mecanismo de interruptor de luz de la acción de AraC" . FEMS Microbiology Reviews . 34 (5): 779– 796. doi : 10.1111/j.1574-6976.2010.00226.x . PMID 20491933 . 
  5. ↑ Lobell, RB; Schleif, RF (1990). "Bucle y desbucle de ADN por la proteína AraC". Science . 250 (4980): 528– 532. Bibcode : 1990Sci...250..528L . doi : 10.1126/science.2237403 . PMID 2237403 . S2CID 25017204 .  
  6. 1 2 3 Schleif, Robert (2003). "Proteína AraC: una relación de amor-odio". BioEssays . 25 (3): 274– 282. doi : 10.1002/bies.10237 . PMID 12596232 . 
  7. ↑ Schleif, Robert; Lis, John T. (1975). "La región reguladora del operón l-arabinosa: un estudio físico, genético y fisiológico". 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). "El operón L-arabinosa de Escherichia coli: sitios de unión de las proteínas reguladoras y un mecanismo de regulación positiva y negativa" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 77 (6): 3346– 3350. Bibcode : 1980PNAS...77.3346O . doi : 10.1073 / pnas.77.6.3346 . PMC 349612. PMID 6251457 .  
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  10. ↑ Saviola, B; Seabold, R; Schleif, R. F (1998). "Interacciones del dominio del brazo en AraC" . Journal of Molecular Biology . 278 (3): 539– 548. doi : 10.1006/jmbi.1998.1712 . PMID 9600837 . 
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  12. ↑ Casadaban, Malcolm J. (1976). "Regulación del gen regulador de la vía de la arabinosa, 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 busca activamente formar bucles" . Journal of Molecular Biology . 278 (3): 529– 538. doi : 10.1006/jmbi.1998.1713 . PMID 9600836 . 
  14. ↑ Hendrickson, William; Schleif, Robert (1984). "Regulación del operón L-arabinosa de Escherichia coli estudiada mediante ensayo de unión de ADN por electroforesis en gel". Journal of Molecular Biology . 178 (3): 611– 628. doi : 10.1016/0022-2836(84)90241-9 . PMID 6387154 . 
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  16. 1 2 Snyder, Larry (2013). Genética molecular de bacterias (4.ª ed.). Washington, DC: ASM Press. págs. 487–494 . ISBN   9781555816278.
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  18. ↑ Cox, Michael M.; Doudna, Jennifer A.; O'Donnell, Michael E. (2012). Biología molecular : principios y práctica (Edición internacional ). Nueva York: WH Freeman. págs. 707–708 . ISBN    9781464102257.
  19. ↑ Griffiths, Anthony JF (2002). Análisis genético moderno: integración de genes y genomas (2.ª ed.). Nueva York: WH Freeman. págs. 432–433 . ISBN   0716743825.
  20. ↑ Lee, N. L; Gielow, WO; Wallace, R. G (1981). "Mecanismo de autorregulación de araC y los dominios de dos promotores superpuestos, P c y P BAD , en la región reguladora de L-arabinosa de Escherichia coli " . Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 78 (2): 752– 756. Bibcode : 1981PNAS...78..752L . doi : 10.1073/pnas.78.2.752 . PMC 319880 . PMID 6262769 .  
  • Análisis genético modernoPor Griffiths, AJ et al. (libro de texto en línea)
  • BioquímicaPor Berg, JM et al. (libro de texto en línea)
  • Introducción al análisis genéticoPor Griffiths, AJ et al. (libro de texto en línea)