Genetic evidence for superoperonal organization of genes for photosynthetic pigments and pigment-binding proteins in Rhodobacter capsulatus
- 作者
- Debra A. Young, Carl E. Bauer, JoAnn C. Williams, Barry L. Marrs
- 单位
- E.I. DuPont de Nemours & Co., Central Research and Development Department E173/118, Experimental Station, P.O. Box 80173, Wilmington, DE 19880-0173, USA
- 杂志
- Molecular and General Genetics（1989）
- DOI
- 10.1007/BF00330558
- 所属领域
- 微生物遗传学
- 关键词
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解决的核心问题
阐明荚膜红细菌（Rhodobacter capsulatus）光合基因簇中相邻的crtEF、bchCA和puf三个操纵子的转录组织及其相互调控关系，特别是bchCA操纵子的结构、转录方向以及上下游操纵子对它的影响。
研究策略
利用DNA序列分析、密码子偏好分析、基因间插入诱变（Ω元件）、互补分析和lacZ转录融合报告基因，结合β-半乳糖苷酶活性测定，鉴定操纵子边界、启动子位置和转录通读现象。
核心内容
该研究通过遗传学手段阐明了荚膜红细菌光合基因簇中crtEF、bchCA和puf三个相邻操纵子的转录组织关系。利用DNA序列分析、Ω元件插入诱变、互补实验及lacZ转录融合报告系统，研究者确定了bchC与bchA构成一个操纵子，转录方向为bchC至bchA，其3'末端与下游pufQ起始密码子仅间隔1 bp，且puf操纵子的两个启动子均位于bchA基因内部。通过插入突变证实crtEF通读可影响bchCA表达，bchCA启动子在无氧条件下活性为37.2 μmol/min/mg蛋白，约为有氧条件下的5倍；crtEF启动子无氧活性为63.1。crtF插入Ω后BchA前体积累量较bchA自身突变株低至少10倍，说明上游通读对下游表达存在显著贡献。三个操纵子同向转录且缺少转录终止子，形成可共转录的超级操纵子结构。这一发现揭示了光合基因协同调控的转录层面机制，表明上游启动子的通读是确保相关基因协调表达的重要方式。
创新点
首次通过遗传证据证明三个相邻的操纵子（crtEF、bchCA、puf）可共转录形成“超级操纵子”结构；发现bchA基因内部包含下游puf操纵子的两个启动子，实现基因重叠；通过插入突变证明crtEF通读影响bchCA表达，并确定了氧调控启动子的位置和强度。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Rhodobacter capsulatus | 细菌叶绿素生物合成 | bchA | BchA蛋白 | 催化 | bchCA操纵子远端基因，编码参与细菌叶绿素合成的酶；其编码区内部包含下游puf操纵子的两个启动子。 |
| Rhodobacter capsulatus | 细菌叶绿素生物合成 | bchC | BchC蛋白 | 催化 | bchCA操纵子近端基因，与bchA共转录，方向为bchC→bchA。 |
| Rhodobacter capsulatus | 类胡萝卜素生物合成 | crtE | CrtE蛋白 | 催化 | 与crtF组成crtEF操纵子，启动子受氧气调控，有氧和无氧下活性不同。 |
| Rhodobacter capsulatus | 类胡萝卜素生物合成 | crtF | CrtF蛋白 | 催化 | crtEF操纵子远端基因，其终止密码子与下游bchC起始密码子间隔147 bp。 |
| Rhodobacter capsulatus | 光合作用基因 | pufQ | PufQ蛋白 | 调控 | puf操纵子首个基因，调控细菌叶绿素前体合成；其ATG与bchA终止密码子仅间隔1 bp。 |
| Rhodobacter capsulatus | 光合作用基因 | pufBALM | 反应中心及LH-I蛋白 | 能量供给 | puf操纵子结构基因，编码光合反应中心和捕光复合体蛋白，受位于bchA内部的Ppuf1和Ppuf2启动子调控。 |
关键发现
- 通过互补分析和极性插入突变，确定bchC和bchA组成一个操纵子，转录方向为bchC→bchA，bchA基因长度约4 kb，其3'末端位于EcoRI-Q片段，与pufQ起始密码子仅间隔1 bp。puf操纵子的两个启动子（Ppuf1和Ppuf2）均位于bchA结构基因内部
- 在AccI位点（514 bp）插入Ω会显著减少P665积累，而补充pufQ可恢复。bchCA启动子被定位在134 bp DNA片段内，有氧条件下β-半乳糖苷酶活性为7.5 μmol/min/mg蛋白，无氧条件下为37.2 μmol/min/mg蛋白
- crtEF启动子在无氧条件下活性为63.1，有氧为22.2。crtF基因插入Ω导致BchA前体积累量比bchA自身突变株低至少10倍
- crtF终止密码子与bchC起始密码子间隔147 bp，未发现转录终止子。三个操纵子同向转录并存在通读，形成超级操纵子组织。
研究结论
在Rhodobacter capsulatus中，crtEF、bchCA和puf三个相邻操纵子以“超级操纵子”形式组织，它们同向转录且存在通读，下游基因的表达受上游启动子影响，这种结构可能在光合基因的协同调控中发挥重要作用。