ラクトースオペロンはどのように規制されていますか

遺伝子発現は、特定の遺伝子によってコードされる情報に基づいて、機能性タンパク質のポリペプチド鎖を合成することです。特定のタンパク質の合成量は、遺伝子発現の調節によって調節することができます。遺伝子の差次的発現は、タンパク質合成のさまざまな段階で達成できます。ただし、遺伝子発現の調節は真核生物と原核生物の遺伝子で異なります。ラクトースオペロンは、大腸菌の乳糖代謝に関与する遺伝子のクラスターです。 lacオペロンの発現の調節は、培地中のラクトースおよびグルコースレベルに応答して達成されます。 lacオペロンの調節は、分子生物学および細胞生物学の入門研究における原核生物の遺伝子調節の最も重要な例として使用されています。

対象となる主要分野

1.遺伝子発現の調節とは何ですか –定義、遺伝子発現の調節 2.ラックオペロンとは –遺伝子産物の定義、構造、機能 3.ラックオペロンはどのように規制されていますか –ラックリプレッサー、CAP

重要な用語：カタボライト活性化タンパク質（CAP）、大腸菌、遺伝子発現、グルコース、ラックオペロン、ラックリプレッサー、ラクトース代謝

遺伝子発現の調節とは何ですか

遺伝子発現の調節とは、特定の遺伝子産物（タンパク質またはRNA）の産生を増加または減少させるために細胞が使用する幅広いメカニズムを指します。これは、以下に説明するように、タンパク質合成のさまざまなステップで実現されます。

レプリケーションレベル – DNA複製中に発生する突然変異は、遺伝子発現の変化を引き起こす可能性があります。
転写レベル –特定の遺伝子の転写は、リプレッサーとアクチベーターによって制御できます。
転写後レベル–遺伝子発現は、RNAスプライシングなどの転写後修飾中に達成できます。
翻訳レベル – mRNA分子の翻訳は、RNA干渉経路などのさまざまなプロセスによって制御できます。
翻訳後レベル –タンパク質の合成は、翻訳後修飾を制御することにより、翻訳後レベルで制御できます。

ただし、原核生物における遺伝子発現の調節は、主に転写の開始時に達成されます。これには、遺伝子発現を正に調節する活性化因子と、遺伝子発現を負に調節する抑制因子が含まれます。タンパク質合成のさまざまな段階での遺伝子発現の調節を図1に示します。

図1：遺伝子発現の調節

ラクトースオペロンとは

lacオペロンは、大腸菌のラクトース代謝に関与する遺伝子のクラスターを指します。したがって、lacオペロンはE.coliゲノムの機能単位です。 lacオペロンのすべての遺伝子は単一のプロモーターによって制御されています。したがって、オペロン内のすべての遺伝子が一緒に転写されます。遺伝子産物は、ラクトースを細胞の細胞質ゾルに輸送し、ラクトースをグルコースに消化する役割を担うタンパク質です。ブドウ糖は細胞呼吸で使用され、ATPの形でエネルギーを生成します。 lacオペロンは他の多くの腸内細菌にも存在する可能性があります。 lacオペロンの構造を図2に示します。

図2：ラックオペロン

lacオペロンは、単一のプロモーターによって制御される3つの遺伝子で構成されています。これらの遺伝子は lacZ, lacY 、と lacA 。これらの遺伝子は、それぞれベータガラクトシダーゼ、ベータガラクトシドパーミアーゼ、およびベータガラクトシドトランスアセチラーゼとして知られているラクトース代謝に関与する3つの酵素にコードされています。ベータガラクトシダーゼは、ラクトースのグルコースとガラクトースへの分解に関与しています。ベータガラクトシドパーミアーゼは細胞膜に埋め込まれており、ラクトースの細胞質ゾルへの輸送を可能にします。ベータガラクトシドトランスアセチラーゼは、アセチルCo-Aからベータガラクトシドへのアセチル基の転移に関与しています。 lacオペロンの転写により、単一のmRNA分子から3つの遺伝子産物すべてを生成するポリシストロン性mRNA分子が生成されます。一般に、lacZおよびlacY遺伝子産物はラクトース異化作用に十分です。

これらの3つの遺伝子に加えて、lacオペロンはいくつかの遺伝子で構成されています 規制地域 さまざまなタンパク質が結合して転写を制御することができます。 lacオペロンの重要な調節配列は、プロモーター、オペレーター、およびカタボライト活性化タンパク質（CAP）結合部位です。 NS プロモーター 遺伝子の転写に関与する酵素であるRNAポリメラーゼの結合部位として機能します。 NS オペレーター lacリプレッサーが結合する負の調節部位として機能します。 NS CAP結合部位 CAPが結合する正の規制サイトとして機能します。

ラクトースオペロンはどのように規制されていますか

原核生物の遺伝子における遺伝子発現の調節は、 誘導性オペロン さまざまな種類のタンパク質が結合し、細胞の要件に基づいてオペロンの転写を活性化または抑制します。ラックオペロンは誘導性オペロンです。それは、グルコースが細胞に利用できないときに、細胞呼吸で容易に使用できるグルコースに変換することにより、エネルギー生産におけるラクトースの使用を可能にします。 lacオペロンは、細胞内のグルコースの存在に基づいて、「オフ」状態と「オンオン」状態で制御されます。 lacリプレッサーはlacオペロンの「ターンオフ」モードを担当し、CAPはlacオペロンの「ターンオン」モードを担当します。

ラックリプレッサー

lacリプレッサーとは、グルコースの存在下でlacオペロンの転写をブロックするラクトースセンサーを指します。細胞呼吸におけるブドウ糖の使用は、乳糖と比較した場合、エネルギーの生成においてより少ないステップを必要とします。したがって、グルコースが細胞内で利用可能である場合、それは細胞経路で容易に分解されてエネルギーを生成します。さらに、グルコースが呼吸に使用される場合、細胞呼吸の最大効率を達成するために、前者の目的のためのラクトースの使用は避けられるべきである。この状況では、lacオペロンの転写の遮断は、lacリプレッサーがlacオペロンのオペレーター領域に結合することによって達成されます。一般的に、オペレーター領域はプロモーター領域と重複しています。したがって、lacリプレッサーがオペレーター領域に結合すると、完全なプロモーター領域が利用できないため、RNAポリメラーゼはプロモーター領域に結合できなくなります。グルコースが細胞内で容易に利用可能であり、ラクトースが利用できない場合、lacリプレッサーはオペレーター領域にしっかりと結合し、lacオペロンの転写を阻害します。 lacオペロンの調節を図3に示します。

図3：ラクトースオペロンの規制

カタボライト活性化タンパク質（CAP）

CAPタンパク質は、lacオペロンの転写を活性化するグルコースリプレッサーを指します。細胞がグルコースを使い果たし、ラクトースが細胞質ゾル内で容易に利用できるようになると、lacリプレッサーはDNAと結合する能力を失います。したがって、それはオペレーター領域から浮き上がり、プロモーター領域をRNAポリメラーゼへの結合に利用できるようにします。乳糖が利用できる場合、いくつかの分子はに変換されます アロラクトース、乳糖の小さな異性体。アロラクトースがlacリプレッサーに結合すると、オペレーター領域からアロラクトースが緩みます。したがって、アロラクトースは誘導物質として機能し、lacオペロンの発現を引き起こします。さらに、lacオペロンも誘導性オペロンと見なされます。

ただし、RNAポリメラーゼだけでは、プロモーター領域に完全に結合することはできません。したがって、CAPはRNAポリメラーゼのプロモーターへの緊密な結合を助けます。プロモーターの上流にあるCAP結合部位に結合します。 DNAへのCAPの結合は、 サイクリックAMP（cAMP）。 cAMPは、グルコースの非存在下で大腸菌によって生成される空腹信号として機能します。 CAPへのcAMPの結合は、CAPのコンフォメーションを変化させ、lacオペロンのCAP結合部位へのCAPの結合を可能にします。ただし、cAMPは、細胞内のグルコースレベルが非常に低い場合に細胞内に存在します。したがって、lacオペロンの活性化は、グルコースが細胞に利用できない場合にのみ達成できます。結論として、lacオペロンの活性化は、グルコースが利用できず、ラクトースが細胞内で利用できる場合に達成できます。グルコースとラクトースの両方が細胞内に存在しない場合、lacリプレッサーはlacオペロンに結合したままであり、オペロンの転写を防ぎます。

グルコース	乳糖	機構	規制
不在	現在	CAPはCAP結合部位に結合します	lacオペロンの発現
現在	不在	lacリプレッサーはオペレーター領域に結合します	lacオペロンの抑制

結論

lacオペロンは、ラクトース代謝に必要なタンパク質が遺伝子のクラスターに存在する誘導性オペロンです。したがって、lacオペロンの転写により、複数の遺伝子産物を合成できるポリシストロン性mRNA分子が生成されます。 lacオペロンは、細胞呼吸のために、グルコースが存在せず、細胞内にラクトースが存在する場合にのみ発現します。 lacリプレッサーは、グルコースが容易に利用可能であり、ラクトースが利用できない場合、lacオペロンのオペレーター領域に結合します。 CAPはlacオペロンのオペレーターに結合し、グルコースが利用できず、ラクトースがすぐに利用できる場合の転写を支援します。したがって、細胞は細胞呼吸でラクトースを利用してエネルギーを生成できるようになります。