L-アラビノースオペロン

L-アラビノースオペロン（）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。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。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。
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。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（CAP）-cAMP複合体によって、単一のユニットとして制御される。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。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。
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。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。
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。"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。
機能.
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。
調節.
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。二量体化ドメインはアラビノースの結合を担う。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。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。
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.
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。これによってDNAのループが形成され、"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。そのため、"araBAD"の構造遺伝子の転写が阻害される。
"araBAD"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。
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。
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。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。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。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。
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。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。
関連項目.
大腸菌の他のオペロンシステム