LacZ

lacZ (ラック・ゼット)

lacZ（ラック・ゼット）は、大腸菌（Escherichia coli）が炭水化物の一種であるラクトースを利用するために必要な一連の遺伝子群、通称「ラクトースオペロン」を構成する主要な遺伝子の一つです。この遺伝子は、特定の遺伝子発現や組換え操作の成否を視覚的に確認するためのレポーター遺伝子としても、古くから分子生物学の研究分野で広く活用されてきました。

lacZ遺伝子は、その開始コドンから終止コドンまで約3キロ塩基対（kbp）の長さを持ち、β-ガラクトシダーゼ（ベータ・ガラクトシダーゼ、LacZとも表記）と呼ばれる酵素タンパク質を合成するための遺伝情報を持っています。β-ガラクトシダーゼは分子量約116キロダルトン（kDa）の比較的大きなタンパク質で、機能する際には4つのサブユニットが集まった四量体として働きます。

この酵素の主な機能は、ラクトースの加水分解です。ラクトースという二糖を、単糖であるグルコースとガラクトースに分解します。この分解反応によって、大腸菌はラクトースをエネルギー源や炭素源として細胞内に取り込み、代謝に利用することが可能となります。

β-ガラクトシダーゼは加水分解活性に加え、異性化酵素としての側面も持ちます。グリコシド結合の転移反応を触媒することで、ラクトースとは異なる構造を持つアロラクトースという物質を少量生成します。興味深いことに、このアロラクトースこそが、ラクトースオペロン全体の遺伝子発現を制御する誘導因子（インデューサー）として機能します。細胞内にラクトースが存在し、アロラクトースが生成されると、これがオペレーター領域に結合するリプレッサータンパク質からDNAを遊離させ、lacZを含むオペロン内の遺伝子の転写が活性化されるという仕組みです。

活性の検出

β-ガラクトシダーゼの酵素活性を検出する非常に簡便な方法として、X-gal（エックスギャル、正式名称: 5-ブロモ-4-クロロ-3-インドリル-β-D-ガラクトピラノシド）と呼ばれる合成基質を用いる手法が確立されています。X-galは、β-ガラクトシダーゼによって加水分解されると、水に溶けにくい青色の物質を生成します。この特性を利用することで、コロニーや培養液が青く着色するかどうかを調べるだけで、β-ガラクトシダーゼが細胞内で機能しているか、あるいはlacZ遺伝子が発現しているかを容易に判定することができます。

lacZの変異体と応用

lacZ遺伝子には、いくつかの機能欠損型の変異体が存在します。その一つがlacZΔM15（ラック・ゼット・デルタ・エムいちご）と呼ばれる対立遺伝子です。この変異体は、コードするβ-ガラクトシダーゼタンパク質のアミノ末端付近にある11番目から41番目までの特定のアミノ酸配列（通称ωフラグメント、オメガフラグメント）を欠失しています。この欠損タンパク質は二量体までは形成できますが、機能的な四量体構造を組むことができないため、β-ガラクトシダーゼとしての酵素活性を完全に失っています。

これに対し、lacZα（ラック・ゼット・アルファ）と呼ばれる遺伝子断片は、β-ガラクトシダーゼのアミノ末端側約50個のアミノ酸のみをコードしています。このlacZαから合成される短いペプチド（αフラグメント、アルファフラグメント）は、lacZΔM15由来の欠損タンパク質（ωフラグメントを含む）と細胞内で共存すると、互いに補い合って機能的な四量体構造を再構築し、β-ガラクトシダーゼ活性を回復させることができます。この現象はアルファ相補性と呼ばれます。

このアルファ相補性の性質は、遺伝子組換えクローニング技術において極めて重要な役割を果たしています。特に、組換えDNA実験で広く用いられるブルーホワイトセレクションという選抜方法において、lacZα断片が利用されています。この手法では、クローニングしたい遺伝子を挿入するためのプラスミドベクター側に、lacZ遺伝子全体ではなく、よりコンパクトなlacZα遺伝子断片を組み込んでおきます。そして、このベクターを導入する宿主となる大腸菌株としては、自身の染色体上に野生型のlacZ遺伝子を持たず、代わりに機能しないlacZΔM15遺伝子を保持している特殊な株を用います。

ベクターに目的の遺伝子が正しく挿入されなかった場合：ベクター上のlacZα遺伝子が正常に発現し、宿主由来のlacZΔM15由来タンパク質とアルファ相補を起こしてβ-ガラクトシダーゼ活性が回復します。X-gal存在下では青色のコロニーを形成します。
ベクター上のlacZα領域に目的の遺伝子が挿入された場合：lacZαの発現が阻害されるためアルファフラグメントが生成されず、アルファ相補が起こりません。β-ガラクトシダーゼ活性がないため、X-gal存在下でも色はつかず、白いコロニーを形成します。

これにより、青いコロニー（組換え失敗）と白いコロニー（組換え成功）を容易に区別し、目的の遺伝子が組み込まれた細胞を効率的に選抜することが可能となるのです。このように、lacZ遺伝子とその変異体は、大腸菌の代謝研究から遺伝子工学の応用まで、多岐にわたる分野で欠かせないツールとして利用されています。

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