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（*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。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（*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。

## 機能

**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。

## 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（*araO<sub>1</sub>*）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（*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。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*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。

#### 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、*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。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。

### 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。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*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

## 関連項目
*オペロン
*異化 (生物学)
*
大腸菌の他のオペロンシステム
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*ラクトースオペロン
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## 外部リンク
*Modern Genetic Analysis by Griffiths, A.J et al. (online textbook)
*Biochemistry by Berg, J.M et al. (online textbook)
*An Introduction to Genetic Analysis by Griffiths, A.J et al. (online textbook)