03其他操縱子的調(diào)控機制

三、其他操縱子的調(diào)控機制

1．半乳糖操縱子大腸桿菌半乳糖操縱子(galactoseoperon)包括3個結(jié)構(gòu)基因：

異構(gòu)酶(UDP-galactose-4epimerase,galE)，

半乳糖-磷酸尿嘧啶核苷轉(zhuǎn)移酶(galactosetransferase,galT)，

半乳糖激酶(galactosekinase,galk)。

這3個酶的作用是使半乳糖變成葡萄糖-1-磷酸。GalR與galE、T、K及操縱區(qū)O等離得很遠，而galR產(chǎn)物對galO的作用與lacI-lacO的作用相同。

gal操縱子的特點：

①它有兩個啟動子，其mRNA可從兩個不同的起始點開始轉(zhuǎn)錄；

②它有兩個O區(qū)，一個在P區(qū)上游-67--53，另一個在結(jié)構(gòu)基因galE內(nèi)部。因為半乳糖的利用效率比葡萄糖低，人們猜想葡萄糖存在時半乳糖操縱子不被誘導(dǎo)，但實際上有葡萄糖存在時，gal操縱子仍可被誘導(dǎo)。現(xiàn)已分離到一些突變株，其中一類突變株能在不含葡萄糖的培養(yǎng)基中高水平合成半乳糖代謝酶類（gal結(jié)構(gòu)基因高效表達）；而另一類突變株中g(shù)al基因的表達完全依賴于葡萄糖，培養(yǎng)基中如無葡萄糖存在，這些細菌的gal基因不表達，不合成半乳糖代謝酶類。分析gal操縱子P-O區(qū)的DNA序列發(fā)現(xiàn)，該操縱子確實存在兩個相距僅5bp的啟動子，可以分別起始mRNA的合成。每個啟動子擁有各自的RNA聚合酶結(jié)合位點S1和S2。

從S1起始的轉(zhuǎn)錄只有在培養(yǎng)基中無葡萄糖時，才能順利進行，RNA聚合酶與S1的結(jié)合需要半乳糖、CAP和較高濃度的cAMP。從S2起始的轉(zhuǎn)錄則完全依賴于葡萄糖，高水平的cAMP-CAP能抑制由這個啟動子起始的轉(zhuǎn)錄。當(dāng)有cAMP-CAP時，轉(zhuǎn)錄從S1開始，當(dāng)無cAMP-CAP時，轉(zhuǎn)錄從S2開始。為什么gal操縱子需要兩個轉(zhuǎn)錄起始位點？

半乳糖不僅可以作為唯一碳源供細胞生長，而且與之相關(guān)的物質(zhì)--尿苷二磷酸半乳糖（UDPgal）是大腸桿菌細胞壁合成的前體。在沒有外源半乳糖的情況下，UDP-gal是通過半乳糖差向異構(gòu)酶的作用由UDP-葡萄糖合成的，該酶是galE基因的產(chǎn)物。生長過程中的所有時間里細胞必須能夠合成差向異構(gòu)酶?，F(xiàn)在設(shè)想只有S1一個啟動子，那么由于這個啟動子的活性依賴于cAMP-CRP，當(dāng)培養(yǎng)基中有葡萄糖存在時就有能合成異構(gòu)酶。假如唯一的啟動子是S2，那么，即使在葡萄糖存在的情況下，半乳糖也將使操縱子處于充分誘導(dǎo)狀態(tài)，這無疑是一種浪費。無論從必要性或經(jīng)濟性考慮，都需要一個不依賴于cAMP-CAP的啟動子（S1）對高水平合成進行調(diào)節(jié)。2．阿拉伯糖操縱子

阿拉伯糖(arabinose)是另一個可以為代謝提供碳源的五碳糖。在大腸桿菌中阿拉伯糖的降解需要3個基因：araB、araA和araD，分別編碼3個酶：araB基因編碼核酮糖激酶(ribulokinase)，araA編碼L-阿拉伯糖異構(gòu)酶(L-arabinoseisomerase)，araD編碼L-核酮糖-5-磷酸-4-差向異構(gòu)酶(L-ribulose-5phosphate-4epimerase)。與araBAD相鄰的是一個復(fù)合的啟動子區(qū)域和一個調(diào)節(jié)基因araC，這個AraC蛋白同時顯示正、負調(diào)節(jié)因子的功能。AraBAD和araC基因的轉(zhuǎn)錄是分別在兩條鏈上以相反的方向進行的。在標(biāo)準(zhǔn)的遺傳學(xué)圖譜上，araBAD基因簇從啟動子PBAD開始向左進行轉(zhuǎn)錄，而araC基因則是從Pc向右轉(zhuǎn)錄。AraC蛋白作為PBAD活性正、負調(diào)節(jié)因子的雙重功能是通過該蛋白的兩種異構(gòu)體來實現(xiàn)的。Pr是起阻遏作用的形式，可以與現(xiàn)在尚未鑒定的類操縱區(qū)位點相結(jié)合，而Pj是起誘導(dǎo)作用的形式，它通過與PBAD啟動子結(jié)合進行調(diào)節(jié)。在沒有阿拉伯糖時，Pr形式占優(yōu)勢；一旦有阿拉伯糖存在，它就能夠與AraC蛋白結(jié)合，使平衡趨向于Pi形式。這樣，阿拉伯糖的誘導(dǎo)作用就可以解釋為阿拉伯糖與Pr的結(jié)合，使Pr離開它的結(jié)合位點，然后，產(chǎn)生大量的Pi，并與啟動子結(jié)合。因為培養(yǎng)基中含有葡萄糖，所以cAMP-CAP沒有與操縱區(qū)位點相結(jié)合，AraC蛋白處于Pr形式并與A位點結(jié)合，RNA聚合酶很少再與Pc結(jié)合，araC基因雖然仍有轉(zhuǎn)錄，但受到抑制，只有少量AraC蛋白形成，整個系統(tǒng)幾乎處于靜止?fàn)顟B(tài)。

沒有葡萄糖，也沒有阿拉伯糖，因為沒有誘導(dǎo)物，盡管有cAMP-CAP與操縱區(qū)位點相結(jié)合，AraC蛋白仍以Pr形式為主，無法與操縱區(qū)B位點相結(jié)合，無araBADmRNA轉(zhuǎn)錄。無葡萄糖，阿拉伯糖時，大量araC基因產(chǎn)物以Pi形式存在，并分別與操縱區(qū)B、A位點相結(jié)合，在cAMP-CAP的共同作用下，araC和araBAD基因大量表達，操縱子充分激活。3.組氨酸操縱子

與His降解代謝有關(guān)的兩組酶類被稱為hut酶(histidineutilizingenzyme)，控制這些酶合成的操縱子被稱為hutoperon。由一個多重調(diào)節(jié)的操縱子控制，有兩個啟動子，兩個操縱區(qū)及兩個正調(diào)節(jié)蛋白。

Hut操縱子共編碼4種酶和一個阻遏物。4種酶分別由hutG、hutH、hutI及hutU基因編碼，阻遏物則由hutC基因編碼。在產(chǎn)氣克氏菌中，以上基因構(gòu)成兩個轉(zhuǎn)錄單位，hutI、hutG、hutC和hutU、hutH分別被轉(zhuǎn)錄合成兩條mRNA長鏈。這兩個轉(zhuǎn)錄單位各自都有一個啟動子和一個操縱區(qū)，其轉(zhuǎn)錄過程都是從左向右進行的，hutC阻遏物能與每個操縱區(qū)相結(jié)合。無論以組氨酸作為唯一碳源或氮源，hut操縱子都會處于有活性狀態(tài)。Hut操縱子的每一個啟動子上都有cAMP-CAP結(jié)合位點，當(dāng)碳供應(yīng)匱乏時，能合成cAMP，出現(xiàn)cAMP-CAP復(fù)合物，并與操縱區(qū)上的相應(yīng)位點結(jié)合，誘發(fā)基因轉(zhuǎn)錄。雖然尚不清楚氮源缺乏時的信號是什么，但它很可能也是一個正效應(yīng)子。4.多啟動子調(diào)控的操縱子

I．rRNA操縱子

大腸桿菌rRNA操縱子（rrnE）上有兩個啟動子，P1和P2。P1是強啟動子，營養(yǎng)充沛時，由P1起始的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物比由P2起始的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物高3-5倍。當(dāng)營養(yǎng)匱乏時，P1的作用被抑制，但P2仍有功能。II.核糖體蛋白SI操縱子

核糖體蛋白SI操縱子（rpsA），它也受應(yīng)急反應(yīng)調(diào)節(jié)。RpsA有4個啟動子，P1、P2是強啟動子，平時主要依靠它們來啟動基因的表達，合成SI蛋白。P3、P4是弱啟動子，只有在緊急情況下，P1、P2啟動子受ppGpp的抑制，由P