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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）』

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

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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

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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

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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はコンフォメーションが変化し、そのためAraCには2つの異なるコンフォメーションが存在する[6]。AraCのコンフォメーションは、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

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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

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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

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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にはコンフォメーション変化が生じる。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）

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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

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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

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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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  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. 
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  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 
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  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

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大腸菌の他のオペロンシステム

外部リンク

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