Khác biệt giữa các bản “Operon ara”

không có tóm lược sửa đổi
'''Operon L-arabinose''', còn được gọi phổ biến và ngắn gọn là '''operon ara''' hoặc '''araBAD''', là một [[operon]] có vai trò điều hòa quá trình chuyển hóa đường [[pentose|5 carbon]] [[L-arabinose]] ở vi khuẩn ''[[Escherichia coli]]''.<ref name="Voet2011">{{Chú thích sách|url=https://archive.org/details/biochemistrythed00voet|title=Biochemistry|last=Voet|first=Donald & Voet, Judith G.|date=2011|publisher=John Wiley & Sons|isbn=978-0470-57095-1|edition=4th.|location=Hoboken, NJ|pages=[https://archive.org/details/biochemistrythed00voet/page/n1320 1291]–1294|url-access=limited}}</ref> Operon L-arabinose chứa ba [[gen cấu trúc|gene cấu trúc]]: araB, araA, araD (được gọi chung là ''araBAD'') mã hóa cho ba enzyme AraB (ribulokinase), AraA (một isomerase), AraD (một [[epimerase]]) cần thiết cho [[Trao đổi chất|quá trình chuyển hóa]] L-arabinose<ref name="Schleif2000">{{Chú thích tạp chí|last=Schleif|first=Robert|year=2000|title=Regulation of the L-arabinose operon of ''Escherichia coli''|journal=[[Trends in Genetics]]|volume=16|issue=12|pages=559–565|doi=10.1016/S0168-9525(00)02153-3|pmid=11102706}}</ref> thành chất trung gian của [[chu trình pentose phosphate]] là D-[[xylulose-5-phosphate]].<ref name="Schleif2000" />
 
Các gengene cấu trúc của operon L-arabinose được phiên mã từ [[Vùng gen khởi động|promoter]] chung thành một [[RNA thông tin|mRNA]] sơ khai duy nhất.<ref name="Watson">{{Chú thích sách|title=Molecular biology of the gene|last=Watson|first=James D.|date=2008|publisher=Addison-Wesley|isbn=9780321507815|edition=6th.|location=Harlow|pages=634–635}}</ref> Sự hoạt động của operon L-arabinose được kiểm soát duy nhất bởi gengene điều hòa araC với sản phẩm AraC và phức hợp của protein hoạt hóahoá dị catabolitehoá (CAP) - [[Cyclic adenosine monophosphate|cAMP.]]<ref name="Schleif2010">{{Chú thích tạp chí|last=Schleif|first=Robert|year=2010|title=AraC protein, regulation of the l-arabinose operon in, and the light switch mechanism of AraC action|journal=FEMS Microbiology Reviews|volume=34|issue=5|pages=779–796|doi=10.1111/j.1574-6976.2010.00226.x|pmid=20491933|doi-access=free}}</ref> [[Protein]] điều hòa AraC nhạy cảm với nồng độ arabinose và đóng vai trò kép vừa là chất hoạt hóa khi có arabinose vừa là chất ức chế khi không có arabinose để điều chỉnh sự biểu hiện của araBAD.<ref>{{Chú thích tạp chí|last=Lobell|first=R. B.|last2=Schleif|first2=R. F.|date=1990|title=DNA looping and unlooping by AraC protein.|journal=Science|volume=250|issue=4980|pages=528–532|doi=10.1126/science.2237403|pmid=2237403}}</ref> Protein AraC không chỉ kiểm soát sự biểu hiện của araBAD mà còn tự động điều chỉnh sự biểu hiện của chính gene tạo ra nó khi nồng độ AraC cao.<ref name="Schleif2003">{{Chú thích tạp chí|last=Schleif|first=Robert|year=2003|title=AraC protein: A love-hate relationship|journal=[[BioEssays]]|volume=25|issue=3|pages=274–282|doi=10.1002/bies.10237|pmid=12596232}}</ref>
 
== Cấu trúc của operon ==
Operon L-arabinose bao gồm các gengene cấu trúc, vùng vận hành araO<sub>2</sub> và hai vùng khởi động (''araI<sub>1</sub>'', ''araI<sub>2</sub>'').<ref name="Schleif1975">{{Chú thích tạp chí|last=Schleif|first=Robert|last2=Lis|first2=John T.|date=1975|title=The regulatory region of the l-arabinose operon: A physical, genetic and physiological study|journal=[[Journal of Molecular Biology]]|volume=95|issue=3|pages=417–431|doi=10.1016/0022-2836(75)90200-4|pmid=168391}}</ref> Các gengene cấu trúc ''araB'', ''araA'' và ''araD'' mã hóa các enzyme tham gia quá trình [[dị hóa]] L-arabinose. Ngoài ra còn có một vị trí gắn kết CAP, nơi phức hợp CAP - cAMP liên kết và tạo điều kiện điều hòa dương tính - cảm ứng araBAD khi tế bào thiếu [[glucose]].<ref name="Ogden1980">{{Chú thích tạp chí|last=Ogden|first=S|last2=Haggerty|first2=D|last3=Stoner|first3=CM|last4=Kolodrubetz|first4=D|last5=Schleif|first5=R|date=1980|title=The Escherichia coli L-arabinose operon: binding sites of the regulatory proteins and a mechanism of positive and negative regulation.|journal=[[Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America]]|volume=77|issue=6|pages=3346–3350|doi=10.1073/pnas.77.6.3346|pmc=349612|pmid=6251457}}</ref>
 
[[Tập tin:Structure_of_L-arabinose_operon_of_E._coli.tif|giữa|nhỏ|600x600px|Cấu trúc operon L-arabinose của ''E. coli'']]
 
GenGene điều hòa araC không phải là thành phần của operon, nằm ở phía trước của operon L-arabinose và mã hóa protein điều hòa đáp ứng arabinose là AraC. GenGene araC có vùng vận hành araO<sub>1</sub>, cả araC và araBAD đều có một promoter riêng, nơi [[RNA polymerase]] liên kết và bắt đầu [[phiên mã]].<ref name="Schleif2010">{{Chú thích tạp chí|last=Schleif|first=Robert|year=2010|title=AraC protein, regulation of the l-arabinose operon in, and the light switch mechanism of AraC action|journal=FEMS Microbiology Reviews|volume=34|issue=5|pages=779–796|doi=10.1111/j.1574-6976.2010.00226.x|pmid=20491933|doi-access=free}}</ref> araBAD và araC được phiên mã theo các hướng ngược nhau từ promoter ''araBAD'' (P<sub>BAD</sub>) và promoter ''araC'' (P<sub>C</sub>) tương ứng.<ref name="Schleif2000"/>
 
== Chức năng ==
 
* ''araA'' mã hóa L-arabinose isomerase, xúc tác quá trình đồng phân hóa giữachuyển L-arabinose thành L-ribulose.
* ''araB'' mã hóa ribulokinase, xúc tác quá trình phosphoryl hóa L-ribulose để tạo thành L -ribulose-5-phosphate.
* ''araD'' mã hóa L-ribulose-5-phosphate 4-epimerase, xúc tác quá trình epimer hóa giữa L-ribulose 5-phosphate và D-xylulose-5-phosphate.
 
[[File:Process of L-arabinose catabolism.png|650px|thumb|left|Con đường chuyển hóa của L-arabinose thông qua hoạt động của ba enzymenzyme, được mã hóa của operon ''araBAD.'']]
<br>
{| class="wikitable"
|}
 
Cả L-ribulose 5-phosphate và D-xylulose-5-phosphate đều là chất trung gian chuyển hóa của [[chu trình pentose phosphate]], liên kết sự chuyển hóa của [[pentose|đường 5 carbon]] với [[Hexose|đường 6 carbon]].<ref name="Schleif2003"/>
 
== Cách thức hoạt động ==
Operon L-arabinose không chỉ chịu sự kiểm soát của chất hoạt hóa CAP - cAMP mà còn được điều chỉnh dương tính - cảm ứng hoặc âm tính - cảm ứng thông qua protein AraC. AraC gồm hai tiểu đơn vị giống nhau gọi là cấu trúc homodimer và điều khiển phiên mã ''araBAD'' thông qua tương tác với vùng vận hành và vùng khởi động trên operon L-arabinose. Mỗi [[Monomer|đơn phân]] (monomer) của AraC bao gồm hai miền bao gồm miền liên kết DNA và miền [[Dime|dimer hóa.]]<ref name="Bustos1993">{{Chú thích tạp chí|last=Bustos|first=S. A|last2=Schleif|first2=R. F|date=1993|title=Functional domains of the AraC protein.|journal=[[Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America]]|volume=90|issue=12|pages=5638–5642|doi=10.1073/pnas.90.12.5638|pmc=46776|pmid=8516313}}</ref> Miền dimer hóa chịu trách nhiệm liên kết arabinose.<ref name="Saviola1998">{{Chú thích tạp chí|last=Saviola|first=B|last2=Seabold|first2=R|last3=Schleif|first3=R. F|date=1998|title=Arm-domain interactions in AraC.|journal=[[Journal of Molecular Biology]]|volume=278|issue=3|pages=539–548|doi=10.1006/jmbi.1998.1712|pmid=9600837}}</ref> AraC trải qua sự thay đổi cấu trúc khi liên kết arabinose, sau đó nó có hai cấu trúc riêng biệt.<ref name="Schleif2003"/> Cấu trúc hoàn toàn được xác định bởi sự liên kết của chất cảm ứng dị lập thể là arabinose.<ref name="Griffiths">{{Chú thích sách|title=Introduction to genetic analysis|last=Griffiths|first=Anthony J.|last2=Wessler|first2=Susan R.|date=2015|publisher=Freeman|isbn=9781429276344|edition=11th|location=New York, NY|pages=413–414}}</ref>
 
AraC cũng có thể tự động điều chỉnh biểu hiện âm tính - cảm ứng chính nó khi nồng độ của AraC trở nên quá cao. Sự tổng hợp AraC bị kìm hãm thông qua liên kết của dimer AraC với vùng vận hành gengene điều hòa ''araO<sub>1</sub>''.
 
=== Điều hòa âm tính - cảm ứng araBAD ===
[[Tập tin:Negative_regulation_of_L-arabinose_operon_via_AraC_protein.png|phải|nhỏ|500x500px| Điều hòa âm tính cảm ứng của operon L-arabinose thông qua protein AraC]]
Khi môi trường không có arabinose và giàu glucose, các tế bào không cần các sản phẩm của ''araBAD'' để chuyển hóa arabinose. Do đó, protein dimer AraC đóng vai trò như một chất ức chế: một monomer AraC liên kết vùng vận hành của gengene ''araBAD'' (araO<sub>2</sub>), một monomer khác liên kết với vùng khởi động ''araI<sub>1</sub>'' của operon.<ref name="Casadaban">{{Chú thích tạp chí|last=Casadaban|first=Malcolm J.|date=1976|title=Regulation of the regulatory gene for the arabinose pathway, ''araC''|journal=[[Journal of Molecular Biology]]|volume=104|issue=3|pages=557–566|doi=10.1016/0022-2836(76)90120-0|pmid=781294}}</ref> Điều này dẫn đến sự hình thành của một vòng DNA<ref name="Seabold1998">{{Chú thích tạp chí|last=Seabold|first=Robert R|last2=Schleif|first2=Robert F|year=1998|title=Apo-AraC actively seeks to loop|journal=[[Journal of Molecular Biology]]|volume=278|issue=3|pages=529–538|doi=10.1006/jmbi.1998.1713|pmid=9600836}}</ref> ngăn cản RNA polymerase liên kết với promoter của operon''.''<ref name="Hendrickson1984">{{Chú thích tạp chí|last=Hendrickson|first=William|last2=Schleif|first2=Robert|date=1984|title=Regulation of the ''Escherichia coli'' L-arabinose operon studied by gel electrophoresis DNA binding assay|journal=[[Journal of Molecular Biology]]|volume=178|issue=3|pages=611–628|doi=10.1016/0022-2836(84)90241-9|pmid=6387154}}</ref> Do đó, sự phiên mã của gengene cấu trúc ''araBAD'' bị ức chế.<ref name="Weaver2012">{{Chú thích sách|url=https://archive.org/details/molecularbiology00weav_632|title=Molecular biology|last=Weaver|first=Robert Franklin|date=2012|publisher=McGraw-Hill|isbn=9780071316866|edition=5th int. student|location=New York|pages=[https://archive.org/details/molecularbiology00weav_632/page/n205 183]–186|url-access=limited}}</ref>
 
=== Điều hòa dương tính - cảm ứng ''araBAD'' ===
[[Tập tin:Positive_regulation_of_L-arabinose_operon_via_AraC_and_CAP.png|phải|nhỏ|500x500px|Điều hòa dương tính cảm ứng operon L-arabinose thông qua dimer AraC và CAP - cAMP]]
Sự biểu hiện của operon araBAD được kích hoạt khi không có glucose và có arabinose. Khi có arabinose, cả AraC và CAP đều hoạt động cùng nhau như những chất hoạt hóa.<ref name="Snyder">{{Chú thích sách|title=Molecular genetics of bacteria|last=Snyder|first=Larry|date=2013|publisher=ASM Press|isbn=9781555816278|edition=4th.|location=Washington, DC|pages=487–494}}</ref>
 
 
==== Điều hòa nhờ phức hệ CAP - cAMP (ức chế dị hóa) ====
CAP chỉ hoạt động như một chất hoạt hóa phiên mã khi không có loại đường ưa thích ''của E. coli'' là glucose''.''<ref name="Cox">{{Chú thích sách|title=Molecular biology : principles and practice|last=Cox|first=Michael M.|last2=Doudna|first2=Jennifer A.|last3=O'Donnell|first3=Michael E.|date=2012|publisher=W.H. Freeman|isbn=9781464102257|edition=International|location=New York|pages=707–708}}</ref> Nồng độ glucose kiểm soát nồng độ bên của phân tử nhỏ cAMP (cyclic adenosine monophosphate) trong tế bào, là chất bắt nguồn từ ATP và làm tín hiệu báo động cho tế bào. Một protein nằm trong màng sinh chất là adenylyl cyclase (AC) có tác dụng chuyển hóa ATP tạo thành cAMP. Cụ thể, cAMP thấp khi glucose là nguồn carbon vì enzyme adenylate cyclase bị ức chế khi vận chuyển glucose vào trong tế bào.<ref name="Campbell">{{Chú thích sách|title=Sinh học (sách dịch từ Campbell Biology)|author= Campbell, N., Reece, J. B., Myers, N., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A.|date=2010|publisher=Nxb Giáo dục|isbn=|edition=8th.|location=Hà Nội|pages=351-355}}</ref>
 
Protein điều hoà dương tính có tên là protein hoạt hoá dị hoá (catabolite activator protein = CAP) cũng gọi là protein tiếp nhận/bám cAMP (cyclic AMP receptor / binding protein = CRP) hay protein bám cAMP. CAP cũng có cấu trúc homodimer; nó chỉ hoạt động khi môi trường nội bào có hàm lượng cAMP cao. Trong trường hợp đó, cAMP kết hợp với CAP tạo thành phức hợp CAP-cAMP và làm tăng ái lực của CAP đối với promoter. Phức hợp này có khả năng nhận biết và bám vào một đoạn 16 bp (base pair) về phía trước vùng khởi động, với các đoạn lặp đảo ngược (inverted repeats), gọi là vị trí CAP. Bằng cách đó RNA polymerase được kích thích bám chặt vào promoter và bắt đầu tổng hợp mRNA ở mức cao.<ref name="Campbell"/>
 
Khi không có [[glucose]], nồng độ cao của phức hợp protein CAP - cAMP liên kết với vị trí liên kết CAP, vị trí giữa ''araI<sub>1</sub>'' và ''araO<sub>1</sub>''.<ref name="Griffiths2002">{{Chú thích sách|url=https://archive.org/details/lccn_2001059225/page/432|title=Modern genetic analysis: integrating genes and genomes|last=Griffiths|first=Anthony J.F.|date=2002|publisher=W.H. Freeman|isbn=0716743825|edition=2nd.|location=New York|pages=[https://archive.org/details/lccn_2001059225/page/432 432–433]|url-access=registration}}</ref> Liên kết CAP - cAMP sẽ mở vòng DNA giữa ''araI<sub>1</sub>'' và ''araO<sub>2</sub>'' làm tăng ái lực liên kết của protein AraC đối với ''araI<sub>2</sub>'' và do đó thúc đẩy RNA polymerase liên kết với promoter ''araBAD'' để chuyển sang biểu hiện ''araBAD'' để chuyển hóa L-arabinose.
[[Tập tin:Autoregulation_of_araC_expression.png|phải|nhỏ|500x500px|GenGene araC tự điều hòa chính mình thông qua protenin AraC]]
 
=== Tự điều chỉnh gene AraC ===
Sự biểu hiện của gengene điều hòa araC được điều chỉnh âm tính - cảm ứng bởi sản phẩm của chính nó, protein AraC. AraC dư thừa liên kết với vùng điều hòa ''araO<sub>1</sub>'' của gengene araC. Ở nồng độ AraC cao, protein này ngăn cản RNA polymerase liên kết với promoter của araC.<ref name="Lee1981">{{Chú thích tạp chí|last=Lee|first=N. L|last2=Gielow|first2=W.O|last3=Wallace|first3=R. G|year=1981|title=Mechanism of ''araC'' autoregulation and the domains of two overlapping promoters, ''P<sub>c</sub>'' and ''P<sub>BAD</sub>'', in the L-arabinose regulatory region of ''Escherichia coli''.|journal=[[Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America]]|volume=78|issue=2|pages=752–756|doi=10.1073/pnas.78.2.752|pmc=319880|pmid=6262769}}</ref> Do đó, protein AraC ở nồng độ cao ức chế sự biểu hiện của chính gene tạo ra nó.<ref name="Snyder"/>
 
== Ứng dụng trong nghiên cứu biểu hiện protein ==
Operon L-arabinose là trọng tâm nghiên cứu trong [[sinh học phân tử]] kể từ năm 1970, và đã được nghiên cứu rộng rãi ở các cấp độ [[Di truyền học|di truyền]], [[hóa sinh]], [[Sinh lý học|sinh lý]] và công nghệ sinh học.<ref name="Watson"/> Operon L-arabinose đã được sử dụng phổ biến trong điều hòa [[Biểu hiện gen|biểu hiện]] protein, vì promoter araBAD có thể được sử dụng để tạo ra sản phẩm dưới sự điều chỉnh chặt chẽ. Bằng cách kết hợp promoter araBAD với gengene cần nghiên cứu, sự biểu hiện của gengene đích có thể được điều chỉnh duy nhất bởi đường arabinose: ví dụ, [[plasmid]] [[pGLO]] chứa [[GFP|gengene protein huỳnh quang xanh lá cây]] (GFP) dưới sự kiểm soát của ''promoter P<sub>BAD</sub>'', cho phép sản xuất GFP khi có mặt arabinose.
 
== Xem thêm ==