オペロンと原核生物の遺伝子制御

オペロン — 共通の制御下にあるクラスター化された遺伝子 — および、細菌が環境に応じて代謝遺伝子のオンオフを切り替えることを可能にするリプレッサーとアクチベーター。

Definition

オペロンとは、共通の制御下にある単一のプロモーターから単一の単位として転写される細菌遺伝子のクラスターであり、原核生物の遺伝子制御とは、細胞シグナルに応答してオペロンの発現を調整するために、オペレーターおよびプロモーターDNAに作用するリプレッサーおよびアクチベータータンパク質を使用することです。

Scope

このトピックは、オペロンを中心とした原核生物における遺伝子制御を扱います。オペレーターとプロモーターの要素、リプレッサーによる負の制御とアクチベーターによる正の制御、低分子シグナルによる誘導と抑制、そしてlacオペロンやtrpオペロンのような古典的な例について論じます。原核生物の制御ロジックを扱い、真核生物およびクロマチンレベルの制御は関連トピックで扱われます。

Core questions

• オペロンとは何か、なぜ細菌の遺伝子はこのように組織化されているのか？
• リプレッサーとオペレーターはどのように負の制御を行うのか？
• アクチベーターと低分子シグナルはどのように正の制御と誘導を行うのか？
• lacオペロンとtrpオペロンは、誘導性および抑制性制御をどのように説明しているか？

Key theories

オペロンモデル

ジャコブとモノーは、制御遺伝子がリプレッサーをコードし、それがオペレーターに結合して隣接する構造遺伝子の転写を制御することで、細菌における協調的でシグナル応答性の遺伝子発現を説明すると提唱しました。

負の制御と正の制御

オペロンは、誘導因子によって除去されるまで転写をブロックするリプレッサーによる負の制御と、転写をオンにするために必要なアクチベーターによる正の制御によって制御され、栄養素やシグナルに対する柔軟な応答を可能にします。

Mechanisms

オペロンでは、単一のプロモーターが複数の構造遺伝子の転写を駆動します。制御遺伝子の産物であるリプレッサータンパク質は、オペレーターに結合してポリメラーゼをブロックすることができます。誘導分子がリプレッサーに結合するとこのブロックが解除され、lacオペロンのようにオペロンがオンになります。逆に、コプレッサーはリプレッサーを活性化して、trpオペロンのように生合成オペロンをシャットダウンすることができます。正の制御では、プロモーターの近くに結合したときに効率的な転写に必要となるアクチベータータンパク質が追加され、複数のシグナルを遺伝子発現の決定に統合します。

Clinical relevance

オペロンのロジックは、抗生物質や栄養ストレスに対する細菌の応答の根底にあり、合成遺伝子回路の設計に情報を提供します。これは臨床的ガイダンスではなく、その重要性として提示されています。

History

1961年に発表されたジャコブとモノーによるlacオペロンの研究は、オペロンとリプレッサー・オペレーター機構を定義し、1965年のノーベル生理学・医学賞の一部を受賞し、遺伝子制御を理解するためのテンプレートを提供しました。

Key figures

• François Jacob
• Jacques Monod
• André Lwoff

Seminal works

• jacob1961
• watson2013

Frequently asked questions

lacオペロンとは何ですか？

大腸菌における乳糖利用のための遺伝子クラスターで、乳糖が存在するときに放出されるリプレッサーによって制御され、必要なときにのみ遺伝子をオンにします。

誘導性オペロンと抑制性オペロンの違いは何ですか？

誘導性オペロンは通常オフであり、誘導因子によってオンになります。抑制性オペロンは通常オンであり、その産物が豊富であることをコプレッサーが示すとオフになります。