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「L-アラビノースオペロン」の版間の差分

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'''L-アラビノースオペロン'''（{{Lang-en-short|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]]の[[アラビノース|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<ref name="Voet2011">{{cite book|last1=Voet|first1=Donald & Voet, Judith G.|title=Biochemistry|url=https://archive.org/details/biochemistrythed00voet|url-access=limited|date=2011|publisher=John Wiley & Sons|location=Hoboken, NJ|isbn=978-0470-57095-1|pages=[https://archive.org/details/biochemistrythed00voet/page/n1320 1291]–1294|edition=4th.}}</ref>。L-アラビノースオペロンには''araB''、''araA''、''araD''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<ref name="Schleif2000">{{cite journal|last1=Schleif|author=|first1=Robert|year=2000|title=Regulation of the L-arabinose operon of ''Escherichia coli''|journal=Trends in Genetics|volume=16|issue=12|page=|pages=559–565|doi=10.1016/S0168-9525(00)02153-3|pmid=11102706}}</ref>。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[[キシルロース-5-リン酸|D-キシルロース-5-リン酸]]へ変換する<ref name="Schleif2000"/>。
'''L-アラビノースオペロン''' (L-arabinose operon) は、[[大腸菌]] (''Escherichia coli'') が[[アラビノース]]を[[異化 (生物学)|異化]]するために必要な[[酵素]]をコードする[[オペロン]]である。''ara''やara BADオペロンとも呼ばれる。正負両方の制御を行い、[[アロステリック効果]]を実現する。<ref>{{Cite book|title = Molecular Biology of the Gene|last = Watson|first = James|publisher = |year = 2003|isbn = |location = |pages = 503}}</ref>


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（[[伝令RNA|mRNA]]）として[[転写 (生物学)|転写]]される<ref name="Watson">{{cite book|last1=Watson|first1=James D.|title=Molecular biology of the gene|date=2008|publisher=Addison-Wesley|location=Harlow|isbn=9780321507815|pages=634–635|edition=6th.}}</ref>。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{{仮リンク|カタボライト活性化タンパク質|en|Catabolite activator protein|label=}}（CAP）-[[環状アデノシン一リン酸|cAMP]]複合体によって、単一のユニットとして制御される<ref name="Schleif2010">{{cite journal|last1=Schleif|first1=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>。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{{仮リンク|アクチベーター|en|Activator (genetics)|label=}}、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<ref name=":0">{{cite journal|last1=Lobell|first1=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>。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<ref name="Schleif2003">{{cite journal|last1=Schleif|author=|first1=Robert|year=2003|title=AraC protein: A love-hate relationship|journal=BioEssays|volume=25|issue=3|page=|pages=274–282|doi=10.1002/bies.10237}}</ref>。
1970年代から[[分子生物学]]の分野で興味を持たれ、[[遺伝学]]、[[生化学]]、[[生理学]]、[[生物物理学]]等の分野でも熱心に研究されてきた。


== 構造 ==
大腸菌では、アラビノースは[[ペントースリン酸経路]]の中間体である[[キシルロース-5-リン酸]]に変換され<ref name=":0" />、代謝経路に入る。
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<sub>1</sub>''、''araO<sub>2</sub>''）とイニシエーター領域（''araI<sub>1</sub>''、''araI<sub>2</sub>''）を含む調節領域から構成される<ref name="Schleif1975">{{cite journal|last1=Schleif|author=|first1=Robert|last2=Lis|first2=John T.|year=|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|page=|pages=417–431|doi=10.1016/0022-2836(75)90200-4}}</ref>。構造遺伝子である''araB''、''araA''、''araD''はL-アラビノースの[[異化 (生物学)|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{{仮リンク|カタボライト抑制|en|Catabolite repression|label=}}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<ref name="Ogden1980">{{cite journal|last1=Ogden|author=|first1=S|last2=Haggerty|first2=D|last3=Stoner|first3=CM|last4=Kolodrubetz|first4=D|last5=Schleif|first5=R|year=|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|page=|pages=3346–3350|doi=10.1073/pnas.77.6.3346|pmid=6251457|pmc=349612}}</ref>。[[File:L-arabinose structure.png|600px|thumb|centre|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。 ''araC''と''araBAD''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 (生物学)|転写]]の開始は個別に行われる<ref name="Schleif2010" />。''araBAD''と''araC''は、それぞれ''araBAD''プロモーター（''P<sub>BAD</sub>''）と''araC''プロモーター（''P<sub>C</sub>''）から逆方向に転写される<ref name="Schleif2000" />。
==構造==
アラビノース異化に必要な酵素をコードする[[構造遺伝子]]は''araB''、''araA''、''araD''であり、''araBAD''と総称される。''araC''は調節遺伝子である。''araBAD''と''araC''は、反対の方向に[[転写 (生物学)|転写]]される<ref name=":0">{{cite journal|author=Schleif, Robert.|title=AraC protein, regulation of the l‐arabinose operon in Escherichia coli, and the light switch mechanism of AraC action|journal=FEMS microbiology reviews|volume=34|number=5|year=2010|pages=779-796|doi=10.1111/j.1574-6976.2010.00226.x}}</ref>。
*''araA''は、L-アラビノースとL-[[リブロース]]の[[異性化]]を触媒する[[L-アラビノースイソメラーゼ]]をコードする。
*''araB''は、(L/D)-リブロースを[[リン酸化]]して(L/D)-[[リブロース-5-リン酸]]を形成する反応を触媒する[[リブロキナーゼ]]をコードする。
*''araD''は、L-リブロース-5-リン酸とD-キシルロース-5-リン酸の[[エピマー]]化を触媒する[[L-リブロース-5-リン酸-4-エピメラーゼ]]をコードする。


== 機能 ==
[[オペレーター]]は''aral''と''araO<sub>2</sub>''で、''araC''と''araBAD''との間に位置する。

*''araA''は[[L-アラビノースイソメラーゼ]]をコードし、L-アラビノースとL-[[リブロース]]の間の[[異性化]]を触媒する。
*''araB''はリブロキナーゼをコードし、L-リブロースの[[リン酸化]]を触媒してL-[[リブロース-5-リン酸]]を形成する。
*''araD''は[[L-リブロース-5-リン酸-4-エピメラーゼ]]をコードし、L-リブロース-5-リン酸とD-キシルロース-5-リン酸の間の[[エピマー|エピマー化]]を触媒する。
[[File:Process of L-arabinose catabolism.png|600px|thumb|left|''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。]]{{Clearleft}}


''aral1''と''aral2''は、発現を誘導するDNA結合部位である。
{| class="wikitable"
{| class="wikitable"
|+大腸菌''E. coli''におけるアラビノースの異化
|+ オペロンの配列
! 基質 !! 酵素 !! 機能 !! Reversible可逆 !! 産物
|-
|-
|{{small|L}}-[[アラビノース]] || AraA || [[イソメラーゼ]] || Yes ||{{small|L}}-リブロース
! 5'
! ''araC''
! ''araO''
! ''araI''
! ''araB''
! ''araA''
! ''araD''
! 3'
|-
|-
|{{small|L}}-[[リブロース]] || AraB || [[リブロキナーゼ]] || No ||{{small|L}}-リブロース-5-リン酸
|
|-
| レギュレーター
|{{small|L}}-[[リブロース-5-リン酸]] || AraD || [[エピメラーゼ]] || Yes ||{{small|D}}-キシルロース-5-リン酸
| colspan=2 | オペレーター
| colspan=3 | 構造
|
|}
|}


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<ref name="Schleif2003"/>。
==機能==
''ara''オペロンは、AraCタンパク質によって制御される。


== 調節 ==
アラビノースが存在しない場合は、[[二量体]]のAraCタンパク質は''aral1''と''araO<sub>2</sub>に結合し、DNAとの間でループ構造を形成する。このループは[[プロモーター]]への[[RNAポリメラーゼ]]結合を阻害して転写を抑制し、構造遺伝子の発現は抑制される<ref name=":0"/>。


[[File:Structure of AraC protein.png|250px|thumb|right|AraC単量体の構造]]
アラビノースが存在する場合は、アラビノースがAraCに結合して二量化を阻害し、DNAとのループ構造は形成されなくなる。これらのAraC-アラビノース複合体は''aral1''と''aral2''に結合し、転写を促進する[[アクチベーター]]として機能する<ref name=":0"/>。
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<ref name="Bustos1993">{{cite journal|last1=Bustos|author=|first1=S. A|last2=Schleif|first2=R. F|year=|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|page=|pages=5638–5642|doi=10.1073/pnas.90.12.5638|pmid=8516313|pmc=46776}}</ref>。二量体化ドメインはアラビノースの結合を担う<ref name="Saviola1998">{{cite journal|last1=Saviola|author=|first1=B|last2=Seabold|first2=R|last3=Schleif|first3=R. F|year=|date=1998|title=Arm-domain interactions in AraC.|journal=Journal of Molecular Biology|volume=278|issue=3|page=|pages=539–548|doi=10.1006/jmbi.1998.1712}}</ref>。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<ref name="Schleif2003"/>。AraCの立体配座は、[[アロステリック効果|アロステリック]]な{{仮リンク|インデューサー|en|Inducer|label=}}であるアラビノースの結合によって純粋に決定される<ref name="Griffiths">{{cite book|last1=Griffiths|first1=Anthony J.|last2=Wessler|first2=Susan R.|title=Introduction to genetic analysis|date=2015|publisher=Freeman|location=New York, NY|isbn=9781429276344|pages=413–414|edition=11th}}</ref>。


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（''araO<sub>1</sub>''）への二量体型AraCの結合によって抑制される。
{| class="wikitable"

|+ 大腸菌でのアラビノースの代謝
=== ''araBAD''の負の調節 ===
! 基質 !! タンパク質 !! 機能 !! 可逆 !! 生成物
[[File:Negative regulation of L-arabinose operon via AraC protein.png|500px|thumb|right|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（''araO<sub>2</sub>''）に結合し、もう一方の単量体は''araI<sub>1</sub>''と呼ばれる離れたDNA領域に結合する<ref name="Casadaban">{{cite journal|last1=Casadaban|author=|first1=Malcolm J.|year=|date=1976|title=Regulation of the regulatory gene for the arabinose pathway, ''araC''|journal=Journal of Molecular Biology|volume=104|issue=3|page=|pages=557–566|doi=10.1016/0022-2836(76)90120-0}}</ref>。これによってDNAのループが形成され<ref name="Seabold1998">{{cite journal|last1=Seabold|author=|first1=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|page=|pages=529–538|doi=10.1006/jmbi.1998.1713}}</ref>、''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<ref name="Hendrickson1984">{{cite journal|last1=Hendrickson|author=|first1=William|last2=Schleif|first2=Robert|year=|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|page=|pages=611–628|doi=10.1016/0022-2836(84)90241-9}}</ref>。そのため、''araBAD''の構造遺伝子の転写が阻害される<ref name="Weaver2012">{{cite book|last1=Weaver|first1=Robert Franklin|title=Molecular biology|url=https://archive.org/details/molecularbiology00weav_632|url-access=limited|date=2012|publisher=McGraw-Hill|location=New York|isbn=9780071316866|pages=[https://archive.org/details/molecularbiology00weav_632/page/n205 183]–186|edition=5th int. student}}</ref>。
|{{small|L}}-[[アラビノース]] || AraA || [[イソメラーゼ]] || yes || {{small|L}}-リブロース

|-
=== ''araBAD''の正の調節 ===
|{{small|L}}-[[リブロース]] || AraB || [[リブロキナーゼ]] || no || {{small|L}}-リブロース-リン酸
[[File:Positive regulation of L-arabinose operon via AraC and CAP.png|500px|thumb|right|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<ref name="Snyder">{{cite book|last1=Snyder|first1=Larry|title=Molecular genetics of bacteria|date=2013|publisher=ASM Press|location=Washington, DC|isbn=9781555816278|pages=487–494|edition=4th.}}</ref>。
|{{small|L}}-リブロース-リン酸 || AraD || [[エピメラーゼ]] || yes || {{small|D}}-キシルロース-リン酸

|}
==== AraCを介した調節 ====
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''araO<sub>2</sub>''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（''araI<sub>1</sub>''と''araI<sub>2</sub>''）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''araI<sub>1</sub>''に結合し、もう一方の単量体が''araI<sub>2</sub>''に結合する。言い換えれば、AraCのへ''araI<sub>2</sub>''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<ref name="Hartnell">{{cite book|last1=Hartwell|first1=Leland|last2=Hood|first2=Leroy|title=Genetics : from genes to genomes|date=2010|publisher=McGraw-Hill Education|location=Boston|isbn=9780071102155|page=[https://archive.org/details/genetics00lela_0/page/528 528]|edition=4th|url=https://archive.org/details/genetics00lela_0/page/528}}</ref>。

==== CAP/cAMPを介した調節（カタボライト抑制） ====

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<ref name="Cox">{{cite book|last1=Cox|first1=Michael M.|last2=Doudna|first2=Jennifer A.|last3=O'Donnell|first3=Michael E.|title=Molecular biology : principles and practice|date=2012|publisher=W.H. Freeman|location=New York|isbn=9781464102257|pages=707–708|edition=International}}</ref>。グルコースの不在下では、''araI<sub>1</sub>''と''araO<sub>1</sub>''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<ref name="Griffiths2002">{{cite book|last1=Griffiths|first1=Anthony J.F.|title=Modern genetic analysis: integrating genes and genomes|date=2002|publisher=W.H. Freeman|location=New York|isbn=0716743825|pages=[https://archive.org/details/lccn_2001059225/page/432 432–433]|edition=2nd.|url-access=registration|url=https://archive.org/details/lccn_2001059225/page/432}}</ref>。CAP-cAMPの結合は''araI<sub>1</sub>''と''araO<sub>2</sub>''の間のDNAループ構造を開き、AraCタンパク質の''araI<sub>2</sub>''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。

[[File:Autoregulation of araC expression.png|500px|thumb|right|''araC''の発現の自己調節]]

=== AraCの自己調節 ===

''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''araO<sub>1</sub>''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<ref name="Lee1981">{{cite journal|last1=Lee|author=|first1=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|page=|pages=752–756|doi=10.1073/pnas.78.2.752|pmid=6262769|pmc=319880}}</ref>。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<ref name="Snyder"/>。

== タンパク質発現系での利用 ==

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<ref name="Watson"/>。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]]は''P<sub>BAD</sub>''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 ==
AraC-アラビノース複合体は、RNAポリメラーゼがプロモーターに結合し、''ara''オペロンを転写するために必須である。また、活性化のためには、''aral''へCRP（カタボライト遺伝子活性化蛋白質、CAPとも）と[[環状AMP]]の複合体が結合することも必要である。そのため、活性化はアラビノースと環状AMPの存在に依存する<ref name=":0"/>。
{{Reflist}}


==関連項目==
== 関連項目 ==
*[[オペロン]]
*[[ラクトースオペロン]] - [[遺伝子発現]]の研究に用いられる大腸菌の別のオペロン
*[[異化 (生物学)]]
*{{仮リンク|カタボライト抑制|en|Catabolite repression|label=}}
大腸菌の他のオペロンシステム
*{{仮リンク|ガラクトースオペロン|en|Gal operon|label=}}
*[[ラクトースオペロン]]
*{{仮リンク|トリプトファンオペロン|en|trp operon|label=}}
*{{仮リンク|gabオペロン|en|gab operon|label=}}


== 外部リンク ==
==出典==
*[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21277/ Modern Genetic Analysis] by Griffiths, A.J et al. (online textbook)
{{reflist}}
*[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22512/ Biochemistry] by Berg, J.M et al. (online textbook)
*[https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21849/ An Introduction to Genetic Analysis] by Griffiths, A.J et al. (online textbook)


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{{デフォルトソート:L-あらひのおすおへろん}}

2020年8月22日 (土) 07:23時点における版

L-アラビノースオペロン（英: 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において五炭糖の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araB、araA、araD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、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

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（araO1、araO2）とイニシエーター領域（araI1、araI2）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。 araCとaraBAD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]。araBADとaraC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

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

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、アロステリックなインデューサー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

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

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

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（araI1とaraI2）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）

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、araI1とaraO1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araI1とaraO2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

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

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 プラスミドは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

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関連項目

大腸菌の他のオペロンシステム

外部リンク

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