L-アラビノースオペロン

L-アラビノースオペロンは//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、AraA、AraD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カタボライト活性化タンパク質-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。

1. 構造
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L-アラビノースオペロンは構造遺伝子と、オペレーター領域とイニシエーター領域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複合体が結合してカタボライト抑制を促進する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//プロモーターと//araC//プロモーターから逆方向に転写される。

2. 機能
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//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化を触媒する。

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。

3. 調節
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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、オペレーター領域への二量体型AraCの結合によって抑制される。

3.1. //araBAD//の負の調節
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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。

3.2. //araBAD//の正の調節
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//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。

3.2.1. 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。

3.2.2. CAP/cAMPを介した調節
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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。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。

3.3. 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。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。

4. 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。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。

5. 出典
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6. 関連項目
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オペロン
異化 
大腸菌の他のオペロンシステム

ラクトースオペロン

7. 外部リンク
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[1] by Griffiths, A.J et al. 
[2] by Berg, J.M et al. 
[3] by Griffiths, A.J et al.