L-アラビノースオペロン

L-アラビノースオペロンは、araまたはaraBADオペロンとも呼ばれ、大腸菌における5 炭素糖L-アラビノースの分解に必要なオペロンです。[1] L-アラビノースオペロンには、araB、araA、araD（まとめてaraBADと呼ばれる）の3 つの構造遺伝子が含まれており、これらは L-アラビノースの代謝に必要な3 つの代謝酵素をコードしています。[2]これらの遺伝子によって生成されるAraB （リブロキナーゼ）、 AraA （イソメラーゼ）、および AraD （エピメラーゼ）は、 L-アラビノースから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-リン酸への変換を触媒します。[2]

L-アラビノースオペロンの構造遺伝子は、共通プロモーターから単一の転写産物であるmRNAに転写される。[3] L-アラビノースオペロンの発現は、調節遺伝子 araCとカタボライト活性化タンパク質（CAP）-cAMP複合体の産物によって、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敏感であり、アラビノース存在下では活性化因子として、アラビノース非存在下では抑制因子として、 araBADの発現を調節する二重の役割を果たす。[5] AraCタンパク質はaraBADの発現を制御するだけでなく、高AraCレベルで自身の発現を自動調節する。[6]

構造

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（araO 1、araO 2）およびイニシエーター領域（araI 1、araI 2）を含む調節領域から構成される。[7]構造遺伝子であるaraB、araA、araDは、L-アラビノース分解酵素をコードする。また、CAP結合部位があり、CAP-cAMP複合体が結合して分解産物抑制を促進し、細胞がグルコース欠乏状態にあるときにaraBADの正の調節をもたらす。[8]

大腸菌の L-アラビノースオペロンの構造。

調節遺伝子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をコードしています。araCとaraBADはどちらも、 RNAポリメラーゼが結合して転写を開始する独立したプロモーターを有しています。[4] araBADとaraCは、それぞれaraBADプロモーター（P BAD）とaraCプロモーター（P C ）から逆方向に転写されます。[2]

関数

araBADオペロンによってコード化された 3 つの酵素の作用による L-アラビノースの代謝経路。
大腸菌におけるアラビノースの分解
基板酵素関数可逆製品
L-アラビノース​アラAイソメラーゼはいL-リブロース
L -リブロースアラブリブロキナーゼいいえL-リブロース-5-リン酸
L-リブロース-5-リン酸アラDエピメラーゼはい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-リン酸はともに、 5炭素糖の代謝と6炭素糖の代謝を結びつけるペントースリン酸経路の代謝物である。[6]

規制

AraCモノマーの構造

L-アラビノース系はCAP-cAMP活性化因子の制御下にあるだけでなく、AraCタンパク質の結合によって正または負に制御される。AraCはホモ二量体として機能し、 L-アラビノースオペロン上のオペレーターおよび開始領域との相互作用を介してaraBADの転写を制御する。各AraCモノマーは、 DNA結合ドメインと二量体化ドメインの2つのドメインで構成される。[9]二量体化ドメインはアラビノース結合を担う。[10] AraCはアラビノース結合時に構造変化を起こし、2つの異なる構造をとる。[6]この構造は、アロステリック 誘導因子であるアラビノースの結合によってのみ決定される。[11]

AraCは、その濃度が過度に高くなると、自身の発現を負に制御する働きも持つ。AraCの合成は、二量体AraCがオペレーター領域（araO 1）に結合することで抑制される。

負の規制アラバッド

AraCタンパク質を介したL-アラビノースオペロンの負の制御

アラビノースが存在しない場合、細胞はアラビノースを分解するためにara BAD産物を必要としません。そのため、二量体AraCはリプレッサーとして機能します。1つのモノマーはaraBAD遺伝子のオペレーター（araO 2）に結合し、もう1つのモノマーはaraI 1として知られる遠位のDNA半分部位に結合します。[12]これによりDNAループが形成されます。[13]この配向により、RNAポリメラーゼがaraBADプロモーターに結合するのが阻害されます。[14]その結果、構造遺伝子araBADの転写が阻害されます。[15]

積極的な規制アラバッド

二量体AraCとCAP/cAMPを介したL-アラビノースオペロンの正の制御

araBADオペロンの発現は、グルコース非存在下かつアラビノース存在下で活性化される。アラビノースが存在する場合、AraCとCAPは共に活性化因子として機能する。[16]

AraC経由

AraCはアラビノース存在下で活性化因子として作用する。アラビノースがAraCの二量体化ドメインに結合すると、AraCの構造変化が起こる。その結果、AraC-アラビノース複合体はaraO 2から分離し、DNAループを切断する。したがって、アラビノース存在下では、AraC-アラビノースが隣接する2つのDNAハーフサイト、 araI 1とaraI 2に結合する方がエネルギー的に有利となる。モノマーの1つはaraI 1に結合し、残りのモノマーはaraI 2に結合する。言い換えれば、AraCとaraI 2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モノマーの1つがaraBADプロモーターの近くに配置され、RNAポリメラーゼをプロモーターにリクルートして転写を開始するのを助ける。[17]

CAP/cAMP（カタボライト抑制）を介して

CAPは、大腸菌が好む糖であるグルコースが存在しない場合にのみ転写活性化因子として作用する。 [18]グルコースが存在しない場合、高レベルのCAPタンパク質/ cAMP複合体がCAP結合部位（araI 1とaraO 1の間の部位）に結合します。[19] CAP/cAMPの結合は、 araI 1とaraO 2の間のDNAループを開き、 araI 2に対するAraCタンパク質の結合親和性を高め、それによってRNAポリメラーゼがaraBADプロモーターに結合して、L-アラビノースの代謝に必要なaraBADの発現をオンにするのを促進します。

araC発現の自己調節

AraCの自己調節

araCの発現は、それ自身のタンパク質産物であるAraCによって負に制御される。過剰なAraCは、高濃度のAraCがaraC遺伝子のオペレーターであるaraO 1に結合し、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阻害する。[20]そのため、AraCタンパク質は高濃度において自身の発現を阻害する。[16]

タンパク質発現システムでの使用

L-アラビノースオペロンは1970年代から分子生物学研究の焦点となっており、遺伝学、生化学、生理学、バイオテクノロジーのレベルで広範囲に研究されてきました。[3] L-アラビノースオペロンは、araBADプロモーターを用いて厳密な制御下で標的遺伝子の発現を誘導できるため、タンパク質発現システムで広く利用されています。araBADプロモーターを目的遺伝子に融合することで、標的遺伝子の発現をアラビノースのみで制御することができます。例えば、pGLOプラスミドにはP BADプロモーターの制御下にある緑色蛍光タンパク質遺伝子が含まれており、アラビノースによってGFPの産生を誘導することができます。

参照

大腸菌の他のオペロンシステム：

参考文献

  1. ^ ドナルド、ヴォート; Voet、ジュディス G. (2011)。生化学(第 4 版)。ニュージャージー州ホーボーケン：ジョン・ワイリー＆サンズ。 1291–1294ページ。ISBN 978-0470-57095-1。
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  • 現代遺伝子解析[リンク切れ]グリフィス、AJ他著（オンライン教科書）
  • 生化学[リンク切れ] Berg, JM 他著 (オンライン教科書)
  • 遺伝子解析入門[リンク切れ]グリフィス、AJ他著（オンライン教科書）
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