L-アラビノースオペロン

出典: フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)』

出典: フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)』
検索に移動

L-アラビノースオペロン: L-arabinose operon)はaraオペロンまたはaraBADオペロンとも呼ばれ、大腸菌Escherichia coliにおいて五炭糖L-アラビノースを分解するために必要なオペロンである[1]。L-アラビノースオペロンにはaraBaraAaraDの3つの構造遺伝子(まとめてaraBADと呼ばれる)が含まれており、これらはL-アラビノースの代謝に必要な3つの酵素をコードしている[2]。これらの遺伝子から産生されるAraB(リブロキナーゼ)、AraA(イソメラーゼ)、AraD(エピメラーゼ)は、L-アラビノースをペントースリン酸経路の中間体であるD-キシルロース-5-リン酸へ変換する[2]

L-アラビノースオペロンの構造遺伝子は共通のプロモーターから1本の転写産物(mRNA)として転写される[3]。L-アラビノースオペロンの発現は、araC調節遺伝子の産物とカタボライト活性化タンパク質英語版(CAP)-cAMP複合体によって、単一のユニットとして制御される[4]。調節タンパク質AraCはアラビノースレベルに対する感受性があり、アラビノース存在下でのアクチベーター英語版、アラビノース不在下のリプレッサーとしての二重の機能によってaraBADの発現を調節する[5]。AraCタンパク質はaraBADの発現を制御するだけでなく、AraCのレベルが高い場合に自身の発現の自己制御も行う[6]

構造[編集]

L-アラビノースオペロンは構造遺伝子と、オペレーター領域(araO1araO2)とイニシエーター領域(araI1araI2)を含む調節領域から構成される[7]。構造遺伝子であるaraBaraAaraDはL-アラビノースの異化に関する酵素をコードしている。また、CAP-cAMP複合体が結合してカタボライト抑制英語版を促進するCAP結合部位が存在し、細胞のグルコース欠乏時にaraBADを正に調節する[8]

大腸菌E. coliのL-アラビノースオペロンの構造。エピメラーゼをコードしている「araC」はaraDの誤りである。

調節遺伝子であるaraCは、L-アラビノースオペロンの上流に位置し、アラビノース応答性調節タンパク質AraCをコードしている。 araCaraBADにはそれぞれ異なるプロモーターが存在し、RNAポリメラーゼの結合と転写の開始は個別に行われる[4]araBADaraCは、それぞれaraBADプロモーター(PBAD)とaraCプロモーター(PC)から逆方向に転写される[2]

機能[編集]

araBADオペロンによってコードされる3つの酵素の作用による、L-アラビノースの代謝経路。
大腸菌E. coliにおけるアラビノースの異化
基質 酵素 機能 Reversible可逆 産物
L-アラビノース AraA イソメラーゼ Yes L-リブロース
L-リブロース AraB リブロキナーゼ No L-リブロース-5-リン酸
L-リブロース-5-リン酸 AraD エピメラーゼ Yes D-キシルロース-5-リン酸

L-リブロース-5-リン酸とD-キシルロース-5-リン酸はどちらも、ペントースの代謝とヘキソースの代謝を関連付けるペントースリン酸経路の代謝産物である[6]

調節[編集]

AraC単量体の構造

L-アラビノースシステムは、CAP-cAMPアクチベーターだけでなく、AraCタンパク質の結合によっても正または負に制御されている。AraCはホモ二量体として機能し、L-アラビノースオペロンのオペレーター領域とイニシエーター領域との相互作用によってaraBADの転写を制御する。AraCの各単量体は、DNA結合ドメインと二量体化ドメインの2つのドメインから構成される[9]。二量体化ドメインはアラビノースの結合を担う[10]。アラビノースの結合に伴ってAraCは立体配座が変化し、そのためAraCには2つの異なる立体配座が存在する[6]。AraCの立体配座は、アロステリックインデューサー英語版であるアラビノースの結合によって純粋に決定される[11]

またAraCは、自身の濃度が高くなりすぎた際に自身の発現を負に自己制御する。AraCの合成は、オペレーター領域(araO1)への二量体型AraCの結合によって抑制される。

araBADの負の調節[編集]

AraCタンパク質によるL-アラビノースオペロンの負の調節

アラビノースが存在しないときには、細胞はアラビノースを分解するaraBADの産物を必要としない。そのため、二量体型AraCがリプレッサーとして機能する。一方の単量体がaraBADのオペレーター(araO2)に結合し、もう一方の単量体はaraI1と呼ばれる離れたDNA領域に結合する[12]。これによってDNAのループが形成され[13]araBADのプロモーターへのRNAポリメラーゼの結合がブロックされる[14]。そのため、araBADの構造遺伝子の転写が阻害される[15]

araBADの正の調節[編集]

二量体型AraCとCAP-cAMPによるL-アラビノースオペロンの正の調節

araBADオペロンの発現は、グルコースが存在せずアラビノースが存在するときに活性化される。アラビノース存在下では、AraCとCAPの双方が協働してアクチベーターとして機能する[16]

AraCを介した調節[編集]

AraCはアラビノースの存在下でアクチベーターとして機能する。AraCの二量体化ドメインにアラビノースが結合すると、AraCには立体配座の変化が生じる。その結果、AraC-アラビノース複合体はaraO2から解離し、DNAのループ構造が破壊される。AraC-アラビノース複合体にとっては、2つの近接した部位(araI1araI2)に結合する方がエネルギー的に有利となる。一方の単量体がaraI1に結合し、もう一方の単量体がaraI2に結合する。言い換えれば、AraCのへaraI2の結合は、アラビノースによってアロステリックに誘導される。この配置ではAraCの単量体の1つはaraBADプロモーターの近傍に位置し、RNAポリメラーゼがプロモーターに結合して転写を開始するのを助ける[17]

CAP/cAMPを介した調節(カタボライト抑制)[編集]

大腸菌が好む糖であるグルコースの不在下でのみ、CAPは転写のアクチベーターとして機能する[18]。グルコースの不在下では、araI1araO1の間に位置するCAP結合部位に対し、CAP-AMP複合体が高いレベルで結合する[19]。CAP-cAMPの結合はaraI1araO2の間のDNAループ構造を開き、AraCタンパク質のaraI2に対する結合親和性を高めることでaraBADプロモーターへのRNAポリメラーゼの結合を促進し、L-アラビノースの代謝に必要なaraBADの発現のスイッチを入れる。

araCの発現の自己調節

AraCの自己調節[編集]

araCの発現は、自身のタンパク質産物であるAraCによって負に制御されている。過剰なAraCはaraC遺伝子のオペレーターであるaraO1に結合し、高レベルのAraCはRNAポリメラーゼがaraCプロモーターにアクセスするのを物理的にブロックする[20]。すなわち、AraCタンパク質は高濃度では自身の発現を阻害する[16]

タンパク質発現系での利用[編集]

L-アラビノースオペロンは1970年以降分子生物学研究において注目され続けており、遺伝学生化学生理学生物工学のレベルでの広く研究が行われている[3]。L-アラビノースオペロンはタンパク質発現系で広く利用されており、緊密な制御下で標的遺伝子の発現を行うためにaraBADプロモーターが利用されている。araBADプロモーターを標的遺伝子と融合することで、標的遺伝子の発現をアラビノースのみによって調節することができるようになる。例えば、pGLO プラスミドPBADプロモーターの制御下に緑色蛍光タンパク質(GFP)遺伝子を含んでおり、アラビノースによってGFPの産生が誘導される。

出典[編集]

  1. ^ Voet, Donald & Voet, Judith G. (2011). Biochemistry (4th. ed.). Hoboken, NJ: John Wiley & Sons. pp. 1291–1294. ISBN 978-0470-57095-1. https://archive.org/details/biochemistrythed00voet 
  2. ^ a b c Schleif, Robert (2000). “Regulation of the L-arabinose operon of Escherichia coli”. Trends in Genetics 16 (12): 559–565. doi:10.1016/S0168-9525(00)02153-3. PMID 11102706. 
  3. ^ a b Watson, James D. (2008). Molecular biology of the gene (6th. ed.). Harlow: Addison-Wesley. pp. 634–635. ISBN 9780321507815 
  4. ^ a b Schleif, Robert (2010). “AraC protein, regulation of the l-arabinose operon in, and the light switch mechanism of AraC action”. FEMS Microbiology Reviews 34 (5): 779–796. doi:10.1111/j.1574-6976.2010.00226.x. PMID 20491933. 
  5. ^ Lobell, R. B.; Schleif, R. F. (1990). “DNA looping and unlooping by AraC protein.”. Science 250 (4980): 528–532. doi:10.1126/science.2237403. PMID 2237403. 
  6. ^ a b c Schleif, Robert (2003). “AraC protein: A love-hate relationship”. BioEssays 25 (3): 274–282. doi:10.1002/bies.10237. 
  7. ^ Schleif, Robert; Lis, John T. (1975). “The regulatory region of the l-arabinose operon: A physical, genetic and physiological study”. Journal of Molecular Biology 95 (3): 417–431. doi:10.1016/0022-2836(75)90200-4. 
  8. ^ Ogden, S; Haggerty, D; Stoner, CM; Kolodrubetz, D; Schleif, R (1980). “The Escherichia coli L-arabinose operon: binding sites of the regulatory proteins and a mechanism of positive and negative regulation.”. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 77 (6): 3346–3350. doi:10.1073/pnas.77.6.3346. PMC: 349612. PMID 6251457. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC349612/. 
  9. ^ Bustos, S. A; Schleif, R. F (1993). “Functional domains of the AraC protein.”. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 90 (12): 5638–5642. doi:10.1073/pnas.90.12.5638. PMC: 46776. PMID 8516313. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC46776/. 
  10. ^ Saviola, B; Seabold, R; Schleif, R. F (1998). “Arm-domain interactions in AraC.”. Journal of Molecular Biology 278 (3): 539–548. doi:10.1006/jmbi.1998.1712. 
  11. ^ Griffiths, Anthony J.; Wessler, Susan R. (2015). Introduction to genetic analysis (11th ed.). New York, NY: Freeman. pp. 413–414. ISBN 9781429276344 
  12. ^ Casadaban, Malcolm J. (1976). “Regulation of the regulatory gene for the arabinose pathway, araC”. Journal of Molecular Biology 104 (3): 557–566. doi:10.1016/0022-2836(76)90120-0. 
  13. ^ Seabold, Robert R; Schleif, Robert F (1998). “Apo-AraC actively seeks to loop”. Journal of Molecular Biology 278 (3): 529–538. doi:10.1006/jmbi.1998.1713. 
  14. ^ Hendrickson, William; Schleif, Robert (1984). “Regulation of the Escherichia coli L-arabinose operon studied by gel electrophoresis DNA binding assay”. Journal of Molecular Biology 178 (3): 611–628. doi:10.1016/0022-2836(84)90241-9. 
  15. ^ Weaver, Robert Franklin (2012). Molecular biology (5th int. student ed.). New York: McGraw-Hill. pp. 183–186. ISBN 9780071316866. https://archive.org/details/molecularbiology00weav_632 
  16. ^ a b Snyder, Larry (2013). Molecular genetics of bacteria (4th. ed.). Washington, DC: ASM Press. pp. 487–494. ISBN 9781555816278 
  17. ^ Hartwell, Leland; Hood, Leroy (2010). Genetics : from genes to genomes (4th ed.). Boston: McGraw-Hill Education. p. 528. ISBN 9780071102155. https://archive.org/details/genetics00lela_0/page/528 
  18. ^ Cox, Michael M.; Doudna, Jennifer A.; O'Donnell, Michael E. (2012). Molecular biology : principles and practice (International ed.). New York: W.H. Freeman. pp. 707–708. ISBN 9781464102257 
  19. ^ Griffiths, Anthony J.F. (2002). Modern genetic analysis: integrating genes and genomes (2nd. ed.). New York: W.H. Freeman. pp. 432–433. ISBN 0716743825. https://archive.org/details/lccn_2001059225/page/432 
  20. ^ Lee, N. L; Gielow, W.O; Wallace, R. G (1981). “Mechanism of araC autoregulation and the domains of two overlapping promoters, Pc and PBAD, in the L-arabinose regulatory region of Escherichia coli.”. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 78 (2): 752–756. doi:10.1073/pnas.78.2.752. PMC: 319880. PMID 6262769. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC319880/. 

関連項目[編集]

大腸菌の他のオペロンシステム