Molecular Cell Biology · 13

原核生物における転写調節、オペロンの定義；正の調節と負の調節（EM学生のみ）

Regulation of transcription in prokaryotes, definition of operon; positive and negative regulation (only for EM-students)

🧠 オペロンは「1つのプロモーターで複数遺伝子を一括制御する」という原核生物特有の経済的な設計であり、その制御は「正（活性化因子がRNAポリメラーゼを助ける）」と「負（抑制因子repressor抑制因子（repressor）repressor（抑制因子）がRNAポリメラーゼを妨げる）」という2つの独立した軸で組み合わされる。 lacオペロンは「負＋正」の組み合わせ（グルコース不在→CAP活性化、ラクトース存在→リプレッサー解除）、trpオペロンは「負」のみ（トリプトファンtryptophanトリプトファン（tryptophan）tryptophan（トリプトファン）過剰→リプレッサー活性化）という対照的な実装を示し、この2つを比較することで正負調節の論理が最もクリアに理解できる。

プロモーター

原核生物における転写調節transcriptional regulation転写調節（transcriptional regulation）transcriptional regulation（転写調節）は主にプロモーター領域内外のオペレーターoperatorオペレーター（operator）operator（オペレーター）によって行われる。プロモーター領域はオペレーターoperatorオペレーター（operator）operator（オペレーター）配列の内部または周辺に特異的結合部位を持ち、そこで転写を減少（抑制因子repressor抑制因子（repressor）repressor（抑制因子）、repressor）または増加（活性化因子、activator）させる。調節の機能は、細胞がどのタンパク質（酵素装置を含む）をどれだけ速く合成するかを制御できるようにすることである。

プロモーターは遺伝子（複数のこともある）の上流にあるヌクレオチド配列で、転写開始transcription initiation転写開始（transcription initiation）transcription initiation（転写開始）が起こる場所である——ここでσ因子がRNAポリメラーゼとともに結合する（11-structure-and-function-of-the-rna-polymerase-of-e-coli-initiation-and参照）。プロモーターのヌクレオチド配列はその「強さ」（RNAポリメラーゼがどれだけ頻繁に結合できるか）を決定する。

プロモーター上流部には2つの部位が区別される：

-10領域（開始点より上流）：コンセンサス配列TATAAT
-35領域（開始点より上流）：コンセンサス配列TTGACA

プロモーター強度	特徴
強いプロモーター	開始が毎時間起こる——コンセンサス配列が変化しておらず（進化的に）保存されている。σ因子への親和性が高い＝RNAポリメラーゼの結合頻度が高い
弱いプロモーター	開始が週/月に1回程度——コンセンサス配列が変化している。σ因子への親和性が低い＝RNAポリメラーゼの結合頻度が低い

恒常的遺伝子と調節遺伝子

恒常的遺伝子constitutive gene恒常的遺伝子（constitutive gene）constitutive gene（恒常的遺伝子）：

ハウスキーピング遺伝子housekeeping geneハウスキーピング遺伝子（housekeeping gene）housekeeping gene（ハウスキーピング遺伝子）——常にオンになっている
タンパク質が細胞により継続的に産生される
環境的・発生的因子に依存しない

調節遺伝子regulator gene調節遺伝子（regulator gene）regulator gene（調節遺伝子）（調節を受ける遺伝子）：

誘導性遺伝子inducible gene誘導性遺伝子（inducible gene）inducible gene（誘導性遺伝子）——常には活性でない
発現は環境条件・外部刺激（人為的に制御可能）に依存する＝「オン/オフ」を切り替えられる
抑制因子repressor抑制因子（repressor）repressor（抑制因子）または活性化因子タンパク質が特異的DNA配列を認識・結合し、近傍遺伝子の転写を制御する

正の調節と負の調節

調節様式	機序
正の調節	活性化因子タンパク質がDNA上の調節配列regulatory sequence調節配列（regulatory sequence）regulatory sequence（調節配列）に結合し、RNAポリメラーゼと相互作用することで転写を刺激する
負の調節	抑制因子repressor抑制因子（repressor）repressor（抑制因子）がオペレーターoperatorオペレーター（operator）operator（オペレーター）に結合し転写を妨げる

いずれも誘導性inducibility誘導性（inducibility）inducibility（誘導性）（inducible、リガンド付加により制御）・抑制性（repressible、リガンド除去により制御）の様式を取りうる。

flowchart TD
  A["負の調節：結合した<span class='jp-term jp-term-diagram' title='repressor'>抑制因子</span>タンパク質が転写を妨げる（遺伝子オフ）"] --> B["リガンドが結合→調節タンパク質がDNAから外れる"]
  C["正の調節：結合した活性化因子タンパク質が転写を促進する（遺伝子オン）"] --> D["リガンドが結合→調節タンパク質がDNAへ結合可能になる"]

オペロン

単一のプロモーターの制御下にある（遺伝子クラスターclusterクラスター（cluster）cluster（クラスター）を含む）DNAの機能単位である
クラスターclusterクラスター（cluster）cluster（クラスター）内の遺伝子は共に1本のmRNAへ転写される
細菌のオペロンは1つの開始部位から1本のmRNAへ転写されるため、オペロン内の全ての遺伝子は協調的に調節される——同時に、同じ程度で活性化または抑制される
オペロンの転写は①RNAポリメラーゼ②特異的抑制因子repressor抑制因子（repressor）repressor（抑制因子）③活性化因子タンパク質間のコミュニケーションcommunicationコミュニケーション（communication）communication（コミュニケーション）によって制御される

⭐ オペロンは原核生物のみに存在する。真核生物では1遺伝子が1mRNAを持つ——14-structure-of-the-eukaryotic-genes-initiation-and-termination-of-transcription-in参照。

lacオペロン——負の誘導性調節

ラクトース（乳糖、二糖disaccharide二糖（disaccharide）disaccharide（二糖）：ガラクトースgalactoseガラクトース（galactose）galactose（ガラクトース）＋グルコース）の分解に必要な3つのタンパク質をコードする調節遺伝子regulator gene調節遺伝子（regulator gene）regulator gene（調節遺伝子）群の配列。ヒト消化管内の大腸菌に存在し、これがヒトのラクトース分解を可能にしている。

遺伝子	コードするタンパク質
lacZ	β-ガラクトシダーゼgalactosidaseガラクトシダーゼ（galactosidase）galactosidase（ガラクトシダーゼ）
lacY	ガラクトシドパーミアーゼgalactosidase permeaseガラクトシドパーミアーゼ（galactosidase permease）galactosidase permease（ガラクトシドパーミアーゼ）
lacA	ガラクトシドトランスアセチラーゼgalactoside transacetylaseガラクトシドトランスアセチラーゼ（galactoside transacetylase）galactoside transacetylase（ガラクトシドトランスアセチラーゼ）

lacI遺伝子はlacオペロンの抑制因子repressor抑制因子（repressor）repressor（抑制因子）を作る恒常的遺伝子constitutive gene恒常的遺伝子（constitutive gene）constitutive gene（恒常的遺伝子）であり、オペロン自体の一部ではない。

このオペロンは通常オフである——グルコースが存在する場合、大腸菌はラクトース消化用タンパク質の産生にエネルギーと時間を浪費したくないためである。グルコースが不在（例：飢餓状態starvation飢餓状態（starvation）starvation（飢餓状態））の場合、ラクトースを分解できるこれらのタンパク質を産生する必要がある。すなわちラクトースはグルコースの代替エネルギー源であり、細胞が別のエネルギー源を必要とする場合にのみ分解される。

基本原則： 抑制因子四量体repressor tetramer抑制因子四量体（repressor tetramer）repressor tetramer（抑制因子四量体）タンパク質は常にオペレーターoperatorオペレーター（operator）operator（オペレーター）に結合しようとする（＝転写なし）。RNAポリメラーゼの結合はcAMP活性化型CRP（CAP）二量体により増強される。Lacリプレッサーの二量体×二量体の存在は転写を妨げる。

条件	状態	機序
(+)グルコース、(-)ラクトース	オペロンOFF	ラクトース不在→lacリプレッサーが転写部位に重なるlacオペレーターoperatorオペレーター（operator）operator（オペレーター）に結合、CAPも未結合
(-)グルコース、(-)ラクトース	オペロンOFF	大腸菌が細胞内グルコース濃度低下に応答しcAMPを合成→CAP（CRP）二量体を活性化。[cAMP]↑→CAPに結合→構造変化conformational change構造変化（conformational change）conformational change（構造変化）→lacオペロンのCAP部位P siteP部位（P site）P site（P部位）に結合→CAP-cAMP複合体がプロモーターに結合したポリメラーゼと相互作用するが、ラクトース不在のためlacリプレッサーがなお結合し転写を妨げる
(+)グルコース、(+)ラクトース	オペロン非常に低発現	ラクトース存在→誘導物質（アロラクトース）がリプレッサーに結合→構造変化conformational change構造変化（conformational change）conformational change（構造変化）→リプレッサーがlacオペレーターoperatorオペレーター（operator）operator（オペレーター）から解離。しかしグルコースも存在するため転写開始transcription initiation転写開始（transcription initiation）transcription initiation（転写開始）頻度は低く、Lac mRNA・タンパク質量は低いまま
(-)グルコース、(+)ラクトース	オペロンON（高発現）	ラクトースのみ存在→誘導物質がリプレッサータンパク質に結合→構造変化conformational change構造変化（conformational change）conformational change（構造変化）によりリプレッサーがオペロンから解離。cAMP-CAP複合体も転写開始transcription initiation転写開始（transcription initiation）transcription initiation（転写開始）頻度を大きく増加させる→高レベルのLac mRNAが合成される

トリプトファンオペロン——負の抑制性調節（発展）

ヒトはトリプトファンtryptophanトリプトファン（tryptophan）tryptophan（トリプトファン）を自ら合成できないが、大腸菌などの細菌の助けを借りて合成できる。トリプトファンtryptophanトリプトファン（tryptophan）tryptophan（トリプトファン）が大量に存在する場合、トリプトファン合成酵素tryptophan synthaseトリプトファン合成酵素（tryptophan synthase）tryptophan synthase（トリプトファン合成酵素）に関わる遺伝子群はオフになるよう調節される。

基本原則： オペレーターoperatorオペレーター（operator）operator（オペレーター）は常に空いている（work operator is free）。

[トリプトファンtryptophanトリプトファン（tryptophan）tryptophan（トリプトファン）]	状態
低濃度	トリプトファンtryptophanトリプトファン（tryptophan）tryptophan（トリプトファン）がリプレッサーから解離→リプレッサーがDNAに結合しなくなる→RNAポリメラーゼがプロモーターに結合可能＝遺伝子転写→トリプトファン合成酵素tryptophan synthaseトリプトファン合成酵素（tryptophan synthase）tryptophan synthase（トリプトファン合成酵素）産生
高濃度	トリプトファンtryptophanトリプトファン（tryptophan）tryptophan（トリプトファン）の立体構造conformational立体構造（conformational）conformational（立体構造）変化がリプレッサーの活性化を誘導→リプレッサーがオペレーターoperatorオペレーター（operator）operator（オペレーター）配列に結合→RNAポリメラーゼのプロモーターへの結合を阻害

[トリプトファンtryptophanトリプトファン（tryptophan）tryptophan（トリプトファン）]

状態

低濃度

トリプトファンtryptophanトリプトファン（tryptophan）tryptophan（トリプトファン）がリプレッサーから解離→リプレッサーがDNAに結合しなくなる→RNAポリメラーゼがプロモーターに結合可能＝遺伝子転写→トリプトファン合成酵素tryptophan synthaseトリプトファン合成酵素（tryptophan synthase）tryptophan synthase（トリプトファン合成酵素）産生

高濃度

トリプトファンtryptophanトリプトファン（tryptophan）tryptophan（トリプトファン）の立体構造conformational立体構造（conformational）conformational（立体構造）変化がリプレッサーの活性化を誘導→リプレッサーがオペレーターoperatorオペレーター（operator）operator（オペレーター）配列に結合→RNAポリメラーゼのプロモーターへの結合を阻害

⭐ 細胞内[トリプトファンtryptophanトリプトファン（tryptophan）tryptophan（トリプトファン）]が低下するたびに、リプレッサーはDNAから外れ、ポリメラーゼが再びオペロンを転写できるようになる。 lacオペロンが「正＋負」の二重調節を持つのに対し、trpオペロンは「負」の調節のみで完結する点が対照的である。

まとめ

原核生物の転写調節transcriptional regulation転写調節（transcriptional regulation）transcriptional regulation（転写調節）はプロモーター/オペレーターoperatorオペレーター（operator）operator（オペレーター）領域での抑制因子repressor抑制因子（repressor）repressor（抑制因子）（負の調節）・活性化因子（正の調節）の結合によって行われ、恒常的遺伝子constitutive gene恒常的遺伝子（constitutive gene）constitutive gene（恒常的遺伝子）（常時オン）と調節遺伝子regulator gene調節遺伝子（regulator gene）regulator gene（調節遺伝子）（誘導性inducibility誘導性（inducibility）inducibility（誘導性）/抑制性）に大別される。
オペロンは単一プロモーターの制御下で複数遺伝子を1本のmRNAへ協調的に転写する原核生物特有の機能単位であり、真核生物には存在しない（1遺伝子1mRNA）。
lacオペロンは負の誘導性inducibility誘導性（inducibility）inducibility（誘導性）調節（ラクトース→リプレッサー解除）と正の調節（グルコース欠乏→cAMP-CAP活性化）を組み合わせ、グルコース・ラクトースの有無に応じた4通りの発現パターンを生む。
trpオペロンは負の抑制性調節negative repressible regulation抑制性調節（negative repressible regulation）negative repressible regulation（抑制性調節）のみで機能し、トリプトファンtryptophanトリプトファン（tryptophan）tryptophan（トリプトファン）濃度が高い時にリプレッサーが活性化されオペロンを閉じる——lacオペロンとの対比により正負調節の論理が明確になる。