ラクトースオペロンの模式図。1: RNAポリメラーゼ、2: lacリプレッサー、3: プロモーター、4: オペレーター、5: ラクトース、6: lacZ、7: lacY、8: lacA。上: 遺伝子がオフの状態。リプレッサーを阻害するラクトースが存在しないためリプレッサーはオペレーターに結合し、RNAポリメラーゼのプロモーターへの結合とラクターゼの合成を防いでいる。下: 遺伝子がオンの状態。ラクトースがリプレッサーを阻害し、RNAポリメラーゼはプロモーターに結合して遺伝子発現によってラクターゼが合成される。ラクターゼはリプレッサーに結合するラクトースが存在しなくなるまでラクトースを分解する。その後、ラクトースが解離したリプレッサーは再びオペレーターに結合し、ラクターゼの合成を止める。
分子遺伝学 においてリプレッサー (英 : repressor )は、オペレーター または関連するサイレンサー に結合することで遺伝子の発現 を阻害する、DNA結合タンパク質 またはRNA結合タンパク質 である。DNAに結合するリプレッサーはプロモーター へのRNAポリメラーゼ の結合をブロックし、遺伝子 のmRNA への転写 を防ぐ。RNAに結合するリプレッサーはmRNAに結合し、mRNAからタンパク質 への翻訳 を防ぐ。こうしてもたらされる遺伝子発現の低下は、抑制(リプレッション、repression)と呼ばれる。
機能
遺伝子発現を開始する分子であるインデューサー が存在する場合、インデューサーはリプレッサータンパク質と相互作用し、リプレッサーをオペレーターから除去する。その後、RNAポリメラーゼは遺伝子を転写する(遺伝子を発現する)ことができるようになる。この抑制機構はインデューサーの存在など特定の条件下でのみ転写を可能にし、一種のフィードバック機構を形成していることが多い。
コリプレッサー はリプレッサーに結合する分子で、リプレッサーがオペレーターへより強固に結合できるようにすることで転写を低下させる。コリプレッサーと結合することでオペレーターに結合するタイプのリプレッサーは、アポリプレッサー(aporepressor)または不活性リプレッサー(inactive repressor)と呼ばれている。アポリプレッサーの例としては、細菌の重要な代謝タンパク質であるトリプトファンリプレッサー (英語版 ) が挙げられる。対照的に活性リプレッサー(active repressor)はオペレーターに直接結合し、転写を低下させる。
リプレッサーの例
lac オペロンリプレッサー
lacZYA オペロンはラクトースの分解に必要なタンパク質をコードする遺伝子を含んでいる。lacI 遺伝子は一般に「lac リプレッサー」と呼ばれるタンパク質をコードし、lac オペロンのリプレッサーとして機能する。lacI 遺伝子はlacZYA のすぐ上流に位置するが、転写はlac オペロンのプロモーターとは異なるlacI プロモーターから行われる。lacI 遺伝子はLacIリプレッサータンパク質を合成し、LacIリプレッサータンパク質はオペレーター配列lacO に結合してlacZYAを抑制する[ 1] 。
lac リプレッサーは恒常的に発現しており、通常はlacO に結合してRNAポリメラーゼによるlac オペロンの転写の開始を阻害している。リプレッサーはインデューサーであるアロラクトースの存在下でコンフォメーション変化を起こし、DNA結合強度が低下してlacO 配列から解離する。その後、RNAポリメラーゼはlac オペロンのプロモーターに結合してlacZYA 遺伝子の転写を開始できるようになる[ 1] 。
met オペロンリプレッサー
リプレッサータンパク質の他の例としては、メチオニン リプレッサーMetJがある。MetJはリボン-ヘリックス-ヘリックス(RHH)モチーフを介してDNAと相互作用する[ 2] 。MetJは2つの単量体から構成されるホモ二量体である。各単量体のβリボン は共に逆平行βシートを形成し、Met boxと呼ばれるオペレーター配列にDNAの主溝側から結合する。結合したMetJ二量体は、オペレーター配列の相補鎖に結合した他のMetJ二量体とαヘリックス を介して相互作用する。
Met boxはAGACGTCTからなる回文配列 で、DNAのどちらの鎖でも同じ配列が認識される。Met boxの中央に位置するCとGの間の接合部にはピリミジン-プリンステップが含まれており、ホスホジエステル 骨格が屈曲して正の超らせん が形成される。タンパク質は、DNA二重らせんの形状がタンパク質の形状に沿うことで、認識部位を確認する。言い換えると、タンパク質は特定の塩基配列を認識するのではなく、DNAの構造パラメータを間接的に読み取ることで認識が行われる。
MetJ二量体には2つの補因子 S -アデノシルメチオニン (SAM)結合部位が存在する。SAMはメチオニン生合成の産物である。MetJのSAM結合ポケットはDNA結合部位とは重複していない。SAMはMetJに結合してMetJのオペレーター部位への親和性を高め、メチオニン合成に関係する遺伝子の転写を停止させる。SAM濃度が低くなると、リプレッサーはオペレーター部位から解離し、より多くのメチオニンが合成されるようになる。
L-アラビノースオペロンリプレッサー
L-アラビノースオペロンにはアラビノース を分解する酵素が含まれている。これらの酵素は、グルコース濃度が低いか存在しないときに代替的なエネルギー源としてアラビノースを分解する役割を果たす[ 3] 。オペロンはリプレッサー遺伝子(araC )、4つの制御部位(araO2 、araO1 、araI1 、araI2 )、2つのプロモーター(Parac /ParaBAD )、3つの構造遺伝子(araBAD )から構成される。AraCは合成されると制御部位に結合してループを形成し、RNAポリメラーゼのプロモーター領域への結合と構造遺伝子の転写を防ぐリプレッサーとして機能する。
アラビノースもAraCも存在しない場合、ループ形成は開始されないが構造遺伝子の発現は低い状態である。アラビノースは存在しないがAraCが存在する場合、AraCは二量体を形成してaraO2 とaraI1 に結合し、ループ形成によってaraO2 とaraI1 を近接させる[ 4] 。アラビノースとAraCの双方が存在する場合、AraCはアラビノースと結合し、アクチベーター として機能する。AraCはアラビノースの結合に伴うコンフォメーション変化によってループを形成することができなくなり、線形となった遺伝子領域はaraBAD 領域へのRNAポリメラーゼのリクルートを促進する[ 3] 。
大腸菌のL-アラビノースオペロンの構造
Flowing Locus C (エピジェネティックリプレッサー)
シロイヌナズナ Arabidopsis thaliana のFlowering Locus C (FLC )オペロンは、開花 のためのメリステム の発達に必要な遺伝子を抑制することで、開花を負に制御している。FLC の発現はFRIGIDA の存在によって調節されていることが示されており、温度の低下と負に相関して春化 を防いでいる[ 5] 。発現低下の程度は、季節の進行に伴う温度や露光時間の変化に依存している。FLC の発現がダウンレギュレーションされると、開花の可能性が出てくる。FLC の発現調節には、遺伝的な要因とヒストンのメチル化 (英語版 ) やDNAメチル化 などのエピジェネティック な要因が関係している[ 6] 。さらに、FLC 遺伝子の負の転写因子として働くコファクターとなる遺伝子も多数存在する[ 7] 。また、FLC 遺伝子には種を超えて多数の相同な遺伝子が存在し、さまざまな気候での適応を可能にしている[ 8] 。
出典
^ a b Slonczewski, Joan (2009). Microbiology : an evolving science . John Watkins Foster (1st ed ed.). New York: W.W. Norton & Co. ISBN 978-0-393-97857-5 . OCLC 185042615 . https://www.worldcat.org/oclc/185042615
^ Somers & Phillips (1992). “Crystal structure of the met repressor-operator complex at 2.8 A resolution reveals DNA recognition by beta-strands.”. Nature 359 (6394): 387–393. doi :10.1038/359387a0 . PMID 1406951 .
^ a b Voet, Donald (2011). Biochemistry . Voet, Judith G. (4th ed.). Hoboken, NJ: John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-57095-1 . OCLC 690489261 . https://www.worldcat.org/oclc/690489261
^ Harmer, Tara; Wu, Martin; Schleif, Robert (2001-01-16). “The role of rigidity in DNA looping-unlooping by AraC” (英語). Proceedings of the National Academy of Sciences 98 (2): 427–431. Bibcode : 2001PNAS...98..427H . doi :10.1073/pnas.98.2.427 . ISSN 0027-8424 . PMC 14602 . PMID 11209047 . https://www.pnas.org/content/98/2/427 .
^ Shindo, Chikako; Aranzana, Maria Jose; Lister, Clare; Baxter, Catherine; Nicholls, Colin; Nordborg, Magnus; Dean, Caroline (June 2005). “Role of FRIGIDA and FLOWERING LOCUS C in Determining Variation in Flowering Time of Arabidopsis” . Plant Physiology 138 (2): 1163–1173. doi :10.1104/pp.105.061309 . ISSN 0032-0889 . PMC 1150429 . PMID 15908596 . https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1150429/ .
^ Johanson, U.; West, J.; Lister, C.; Michaels, S.; Amasino, R.; Dean, C. (2000-10-13). “Molecular analysis of FRIGIDA, a major determinant of natural variation in Arabidopsis flowering time” . Science 290 (5490): 344–347. Bibcode : 2000Sci...290..344J . doi :10.1126/science.290.5490.344 . ISSN 0036-8075 . PMID 11030654 . https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/11030654/ .
^ Finnegan, E. Jean; Kovac, Kathryn A.; Jaligot, Estelle; Sheldon, Candice C.; Peacock, W. James; Dennis, Elizabeth S. (2005). “The downregulation of FLOWERING LOCUS C (FLC) expression in plants with low levels of DNA methylation and by vernalization occurs by distinct mechanisms” (英語). The Plant Journal 44 (3): 420–432. doi :10.1111/j.1365-313X.2005.02541.x . ISSN 1365-313X . PMID 16236152 . https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/j.1365-313X.2005.02541.x .
^ Sharma, Neha; Ruelens, Philip; D'hauw, Mariëlla; Maggen, Thomas; Dochy, Niklas; Torfs, Sanne; Kaufmann, Kerstin; Rohde, Antje et al. (February 2017). “A Flowering Locus C Homolog Is a Vernalization-Regulated Repressor in Brachypodium and Is Cold Regulated in Wheat1[OPEN ”]. Plant Physiology 173 (2): 1301–1315. doi :10.1104/pp.16.01161 . ISSN 0032-0889 . PMC 5291021 . PMID 28034954 . https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5291021/ .
関連項目
外部リンク