L-アラビノースオペロン

L-アラビノースオペロン

L-アラビノースオペロンは、大腸菌が五炭糖の一種であるL-アラビノースをエネルギー源として利用するために不可欠な遺伝子の集まりであり、araオペロンあるいはaraBADオペロンとも呼ばれます。このオペロンは、L-アラビノースを分解するための特定の酵素を作る遺伝子群と、その働きを調節するための領域から構成されています。

構造

L-アラビノースオペロンの核となるのは、araB、araA、araDという三つの構造遺伝子です。これらの遺伝子はまとめてaraBADと呼ばれ、それぞれがL-アラビノースの代謝に必要となる三種類の酵素、すなわちリブロキナーゼ（AraB）、イソメラーゼ（AraA）、エピメラーゼ（AraD）を作るための設計図となっています。これらの構造遺伝子は、共通のプロモーター（PBAD）から、まとめて一つの単位として転写され、複数の遺伝子の情報を持つ一本の伝令RNA（mRNA）が作られます。

オペロンの働きを調節する領域には、オペレーター（araO1、araO2）やイニシエーター（araI1、araI2）と呼ばれるDNA上の特定の配列が含まれています。また、細胞のエネルギー状態を感知するための重要な場所として、CAP結合部位も存在します。この部位には、後述するカタボライト活性化タンパク質（CAP）と環状AMP（cAMP）の複合体が結合します。

さらに、L-アラビノースオペロンの上流には、araCという調節遺伝子が存在します。この遺伝子からは、L-アラビノースに応答する調節タンパク質であるAraCタンパク質が作られます。araC遺伝子には独自のプロモーター（PC）があり、araBADオペロンとは独立して、かつ逆向きに転写が行われます。

機能と代謝経路

araBADオペロンの構造遺伝子から作られる三つの酵素は、協力してL-アラビノースを細胞が利用可能な形に変換します。具体的な経路は以下の通りです。

1. AraA（L-アラビノースイソメラーゼ）: まず、L-アラビノースを構造異性体であるL-リブロースに変換します。
2. AraB（リブロキナーゼ）: 次に、L-リブロースをリン酸化し、L-リブロース-5-リン酸を生成します。
3. AraD（L-リブロース-5-リン酸-4-エピメラーゼ）: 最後に、L-リブロース-5-リン酸を、構造的に非常に近いD-キシルロース-5-リン酸へと変換します。

D-キシルロース-5-リン酸は、五炭糖の代謝や六炭糖の代謝を結びつける重要な代謝経路であるペントースリン酸経路の中間体です。このようにして、L-アラビノースは細胞の主要な代謝経路に取り込まれ、エネルギー源として利用されるのです。

発現調節

L-アラビノースオペロンの働きは、非常に精緻に制御されています。主に、AraCタンパク質とCAP-cAMP複合体という二つの分子が、構造遺伝子であるaraBADの転写を正にも負にも調節します。

AraCタンパク質による制御

AraCタンパク質は、二つのサブユニットからなるホモ二量体として機能します。それぞれのサブユニットは、DNAと結合する領域と、二量体を形成しアラビノースと結合する領域を持っています。特に、アラビノースがAraCに結合すると、AraCタンパク質の立体構造（コンフォメーション）が大きく変化します。この構造変化によって、AraCはDNA上の異なる場所に結合できるようになり、オペロンの働きを制御するのです。

アラビノースがない場合（負の制御）: 細胞がアラビノースを必要としない状況では、AraC二量体はリプレッサー（抑制因子）として働きます。AraCの一方のサブユニットはオペレーター領域の一つ（araO2）に、もう一方は少し離れた領域（araI1）に結合します。これにより、DNAが折り曲げられてループ状の構造が形成され、araBAD遺伝子のプロモーター（PBAD）にRNAポリメラーゼが結合するのを物理的に妨げます。結果として、araBAD遺伝子の転写は抑制されます。

アラビノースがある場合（正の制御）: アラビノースが細胞内に存在すると、AraC二量体に結合します。アラビノースとの結合によってAraCのコンフォメーションが変化し、araO2とaraI1への結合が弱まります。代わりに、AraCはプロモーター近傍にある二つの隣接した領域（araI1とaraI2）に結合するようになります。この新しい結合様式によってDNAのループ構造は解消され、AraCはRNAポリメラーゼがPBADプロモーターに効率的に結合し、転写を開始するのを助けるアクチベーター（活性化因子）として機能します。

CAP-cAMP複合体による制御（カタボライト抑制）

大腸菌は一般にグルコースを最も効率の良いエネルギー源として好みます。グルコースが存在する場合、CAP-cAMP複合体の細胞内濃度は低く、L-アラビノースオペロンの活性化は抑制されます。一方、グルコースが不足すると、細胞内のcAMP濃度が上昇し、CAPと結合してCAP-cAMP複合体が多量に生成されます。この複合体は、オペロンの調節領域にあるCAP結合部位（araI1とaraO1の間）に結合します。CAP-cAMP複合体の結合は、DNAのループ構造をさらに開きやすくし、AraCタンパク質がaraI2領域に結合する親和性を高めます。これにより、RNAポリメラーゼのPBADプロモーターへの結合が強力に促進され、araBAD遺伝子の転写が強力に活性化されます。これは、グルコースがない場合にのみ、他の糖を利用できるようにするカタボライト抑制の解除という仕組みの一部です。

AraC自身の調節

AraCタンパク質は、自身の量が過剰にならないよう、自らの発現を負に調節する仕組みも持っています。AraCの濃度が高くなると、AraC二量体はaraC遺伝子のオペレーター領域（araO1）に結合します。この結合によって、araC遺伝子のプロモーター（PC）にRNAポリメラーゼがアクセスするのが物理的に妨げられ、araC遺伝子自身の転写が抑制されます。

分子生物学研究と応用

L-アラビノースオペロンは、その巧妙な制御機構のため、1970年代以降、分子生物学の重要な研究対象として広く研究されてきました。特に、その発現制御プロモーターであるPBADプロモーターは、遺伝子工学において標的遺伝子の発現を厳密に制御するために広く利用されています。標的遺伝子をPBADプロモーターの下流に組み込むことで、培地にアラビノースを添加するかしないかによって、目的のタンパク質の合成をオン/オフしたり、その量を調節したりすることが可能になります。例えば、教育用によく使われるpGLOプラスミドでは、緑色蛍光タンパク質（GFP）遺伝子がPBADプロモーターの制御下に置かれており、アラビノースを加えることでGFPが作られ、大腸菌が緑色に光るようになります。このように、L-アラビノースオペロンは、基礎研究から応用まで、幅広い分野で役立てられています。

もう一度検索