ラックオペロンはどのように規制されていますか

遺伝子発現とは、特定の遺伝子によってコードされた情報に基づいて、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。遺伝子の発現差は、タンパク質合成のさまざまな段階で達成できます。しかし、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。 ラック オペロンは、E.coli のラクトース代謝に関与する遺伝子のクラスターです . lacの発現調節 オペロンは、培地中のラクトースとグルコースのレベルに応じて達成されます。 lac の規制 オペロンは、分子生物学および細胞生物学の入門研究において、原核生物の遺伝子調節の最たる例として使用されています。

対象となる主な分野

1.遺伝子発現調節とは
– 遺伝子発現の定義、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
– Lac リプレッサー、CAP

重要な用語:カタボライト アクティベーター タンパク質 (CAP)、大腸菌、遺伝子発現、グルコース、Lac オペロン、Lac リプレッサー、ラクトース代謝

遺伝子発現調節とは

遺伝子発現の調節とは、細胞が特定の遺伝子産物 (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段階で達成されます。

しかし、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

Lac とは オペロン

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の機能単位です。大腸菌 ゲノム。 lac 内のすべての遺伝子 オペロンは単一のプロモーターによって制御されます。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サイトゾルに輸送し、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。グルコース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。 ラック 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 の構造 オペロンは 図 2 に示されています .

図 2:Lac 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 です 、lacY 、および 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。 β-ガラクトシダーゼは、ラクトースをグルコースとガラクトースに分解することに関与しています。 β-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、サイトゾルへのラクトースの輸送を可能にします。 β-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β-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 の転写 オペロンは、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 分子を生成します。通常、lacZ と lacY ラクトースの異化作用には遺伝子産物で十分です。

これら 3 つの遺伝子に加えて、lac オペロンは多数の規制地域で構成されています さまざまなタンパク質が結合して転写を制御できます。 lac の主要な調節配列 オペロンは、プロモーター、オペレーター、および異化活性化タンパク質 (CAP) 結合部位です。 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。 オペレーター lac の負の調節部位として機能します。 リプレッサーが結合します。 CAP バインディング サイト CAP が結合する正の調節部位として機能します。

Lac はどのようになっていますか オペロン規制

原核生物の遺伝子における遺伝子発現の調節は、誘導性オペロンによって行われます 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。グルコースが細胞に利用できない場合、二糖類であるラクトースをグルコースに変換することにより、二糖類を細胞呼吸で容易に使用できるようにします。 ラック 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」状態に制御されます。 ラック リプレッサーは、lac の「オフ」モードを担当します CAP が lac の「オン」モードを担当している間、オペロン オペロン。

ラック リプレッサー

lac リプレッサーはラクトース センサーを指し、lac の転写をブロックします。 グルコースの存在下でのオペロン。細胞呼吸におけるグルコースの使用は、ラクトースと比較した場合、エネルギーの生成に必要なステップが少なくて済みます。したがって、グルコースが細胞内で利用可能になると、細胞経路で容易に分解されてエネルギーが生成されます。さらに、グルコースが呼吸に使用される場合、前者の目的でのラクトースの使用は、細胞呼吸の最大効率を達成するために避けるべきである。この状況では、lac の転写がブロックされます。 オペロンは、lac リプレッサーが lac のオペレーター領域に結合することによって実現されます。 オペロン。通常、オペレーター領域はプロモーター領域とオーバーラップします。したがって、lac リプレッサーはオペレーター領域に結合しますが、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ません。細胞内でグルコースがすぐに利用でき、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 の転写を阻害します オペロン。 lac の規制 オペロンは 図 3 に示されています .

図 3:Lac の規制 オペロン

異化活性化タンパク質 (CAP)

CAP タンパク質は、lac の転写を活性化するグルコース抑制因子を指します。 オペロン。細胞がグルコースを使い果たし、ラクトースがサイトゾル内ですぐ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、オペレーター領域から浮かび上がり、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。ラクトースが利用可能になると、分子の一部がアロラクトースに変換されます 、ラクトースの小さな異性体。 lac へのアロラクトースの結合 リプレッサーは、オペレーター領域からそれを緩めます。したがって、アロラクトースはインデューサーとして機能し、lac の発現を引き起こします。 オペロン。さらに、lac オペロンも誘導性オペロンと見なされます.

しかし、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。 CAP の DNA への結合は、サイクリック AMP (cAMP) として知られる小分子によって調節されます。 . ｃＡＭＰは、グルコースの非存在下で大腸菌によって作られる飢餓シグナルとして機能する。 cAMP の CAP への結合は CAP のコンホメーションを変化させ、lac の CAP 結合部位への CAP の結合を可能にします。 オペロン。ただし、細胞内のグルコースレベルが非常に低い場合、cAMPは細胞内に存在します。したがって、lac の活性化 オペロンは、細胞がグルコースを利用できない場合にのみ達成できます。結論として、lac の活性化 オペロンは、細胞内でグルコースが利用できず、ラクトースが利用できる場合に達成できます。細胞内にグルコースとラクトースの両方が存在しない場合、lac リプレッサーは lac に結合したままです オペロン、オペロンの転写を防ぎます。

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 の転写は オペロンは、複数の遺伝子産物を合成できるポリシストロン性 mRNA 分子を生成します。 ラック オペロンは、細胞呼吸のために細胞内にグルコースが存在せず、ラクトースが存在する場合にのみ発現します。 ラック リプレッサーは lac のオペレーター領域に結合します グルコースが容易に利用可能で、ラクトースが利用できない場合のオペロン。 CAP は lac の演算子にバインドします オペロンは、グルコースが利用できない場合の転写を支援し、ラクトースはすぐに利用できます.したがって、細胞は、細胞呼吸で乳糖を利用してエネルギーを生成できるようになります。

画像提供:

1. ArneLH による「遺伝子発現制御」 – Commons Wikimedia 経由の自作 (CC BY-SA 3.0)
2. Commons Wikimedia 経由の「Lac オペロン 1」(パブリック ドメイン)
3.「Lac オペロン」( CC BY 2.0) コモンズ ウィキメディア経由

参照:

1.「原核生物の遺伝子調節」。ルーメン / 無限の生物学、こちらから入手できます。
2.「lac オペロン」カーン アカデミー、こちらから入手できます。
3.「ラック オペロン :原核生物における遺伝子発現の調節」。 Biology、Byjus Classes、2017 年 11 月 21 日、こちらから入手可能。