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Arcシステムは、大腸菌などの通性嫌気性菌の遺伝子発現を制御する、一部の細菌に見られる 2 成分システムです。[ 1 ] 2 成分システムとは、センサー分子と応答調節因子を持つことを意味します。Arc は Anoxic Redox Control system の略です。Arc システムは、細菌の転写中にエネルギー代謝を維持する上で重要な役割を果たします。 [ 2 ] ArcA 応答調節因子は、成長条件を感知し、細菌に最適な遺伝子を発現させます。Arc B センサーキナーゼは、3 部分からなるタンパク質で、膜に結合しており、自己リン酸化することができます。[ 3 ]
Arcシステムは、最初に大腸菌株で報告され[ 4 ]、その後多くの株で報告されました。ArcA/ArcBは、好気性および嫌気性経路の調節において重要な役割を果たしていることが、井内史郎と林ECによって最初に特定されました。この2人の科学者は、大腸菌のΔlac株のsdh-lacZオペロンを用いた遺伝子スクリーニングを設計しました。arcAとarcBの変異により、嫌気性発酵経路に関与する酵素のレベルが上昇することが示されました。この2人の科学者は、もともと好気性呼吸制御の略であったarcという名前を考案しました[ 2 ] 。
ArcBは778個のアミノ酸から構成されています。これは、内膜を2回通過する多重膜貫通タンパク質です。ArcBの二次構造の大部分はαヘリックスで、5つのαヘリックスと1つのβシートからなります。タンパク質の2つの膜貫通部分は、疎水性アミノ酸に富む20アミノ酸長のαヘリックスです。アミノ酸79～778は細胞質側に位置し、タンパク質の93%が細胞質側にあります。ArcBの感覚領域と調節領域はどちらもこの細胞質ドメインに存在します。[ 5 ]
ArcAは238個のアミノ酸から構成されています。これは2つの同一のサブユニットからなるオリゴマータンパク質で、各サブユニットは119個のアミノ酸、5つのαヘリックス、および6つのβシートから構成されています。アミノ酸134～234には、遺伝子発現を活性化または抑制できるDNA結合ドメインがあります。大腸菌ゲノムには76個のDNA結合部位がありますが、ArcAは約30種類のオペロンを直接制御しています。[ 5 ]
ArcBは膜結合型センサーヒスチジンキナーゼです。3つの異なるシグナル伝達ドメインを持つという点で特異です。還元型キノンと相互作用することで細胞内の酸素レベルを感知します。還元型キノンレベルが低い場合、細胞が好気呼吸を行っていることをシグナルします。還元型キノンレベルが高い場合、細胞が好気呼吸を行うことができないことをシグナルします。[ 2 ]これは通常、電子伝達系の末端電子受容体として機能する酸素レベルが不十分なことが原因です。ArcBはその後、応答調節因子であるArcAを活性化または不活性化することができ、ArcAは染色体に移動して遺伝子発現を調節することができます。[ 6 ]
ArcAはリン酸化によって活性化される。酸素濃度が低い場合（嫌気性条件下）、ArcBは自己リン酸化される。この無機リン酸は、4つのアミノ酸からなるリン酸リレーを介してArcAに転移される。リン酸化されたArcAは、染色体上の特定のコンセンサス遺伝子配列に結合し、約30種類のオペロンを制御することができる。ArcAは、結合するオペロンに応じて、抑制因子としても活性化因子としても機能することができる。[ 2 ] [ 3 ]
酸素濃度が高い場合（好気性条件下）、ArcBはホスファターゼとして働き、ArcAから無機リン酸基を除去します。リン酸基が結合していないと、ArcAはDNAに結合できず、遺伝子の発現は元の好気性レベルに戻ります。これにより、細胞は現在の細胞の状態にとって最も有利な代謝経路を利用できるようになります。脱リン酸化はリン酸化と同じリン酸リレーを利用しますが、逆方向に作用します。[ 6 ]
Arcシステムが嫌気性細菌の様々な株に存在しないと、遺伝子発現は遺伝物質の複製中に代謝を効率的に制御することができません。酸素が存在しない多くの増殖条件下では、膜結合型のArcBセンサーキナーゼが自己リン酸化を起こしますが、これはピルビン酸、酢酸、D-乳酸などの特定の発酵代謝物がある場合に効率が良くなることが証明されているプロセスです。[ 4 ]
Arcシステムは電子伝達系を特定の遺伝子の調節に接続し、酸素が存在する場合には好気呼吸を、酸素が存在しない場合には発酵を起こせるようにします。これは、ArcBと電子伝達系のキノンとの結合によって実現されます。電子伝達系の酸化キノンは、好気呼吸中にArcBの自己リン酸化を阻害します。これにより、ArcAのリン酸化が阻止され、活性化されたオペロンがオフになります。[ 2 ]
Arcシステムは、シトクロムoオキシダーゼ、シトクロムdオキシダーゼ、グリオキシル酸回路や脂肪酸酸化などの様々な糖新生酵素など、30個もの遺伝子の発現を調節することが明らかになっている。また、ピルビン酸ギ酸リアーゼの発現も誘導する。
制御される主要な遺伝子の 1 つはsdh-lacZオペロンです。これは、部分的にTCA サイクルの重要な要素であるコハク酸デヒドロゲナーゼの合成をコードしています。ArcA は酸素の存在下でsdh-lacZオペロンの発現をオフにし、TCA サイクルの進行を停止します。また、 lctDとピルビン酸ギ酸リアーゼを活性化します。これらの遺伝子は乳酸発酵プロセスにおいて重要です。これらは嫌気性条件下で活性化され、細胞がより好ましくない条件下でも ATP を生成し、成長し続けることを可能にします。[ 7 ] ArcA は、フラボタンパク質デヒドロゲナーゼやユビキノンオキシダーゼなど、TCA サイクルに関与する他の多くの酵素も抑制します。[ 2 ]また、グリオキシル酸の合成に関与する酵素、好気性成長で使用される一部のデヒドロゲナーゼ、および脂肪酸酸化に関与する酵素も抑制します。活性化されたオペロンには、ピルビン酸ギ酸リアーゼ経路の遺伝子とコバラミン合成に関与する酵素が含まれる。[ 8 ]
影響を受ける遺伝子のもう1つは、特定のシトクロムの生成をコードしています。 ArcAはシトクロムboオキシダーゼを抑制し、シトクロムbdオキシダーゼを活性化します。 シトクロムは、持つヘムに基づいて分類され、この場合、シトクロムboはヘムcを持ち、シトクロムbdオキシダーゼはヘムdを持ちます。 シトクロムboオキシダーゼは、好気呼吸の電子伝達系における主要な電子伝達体の1つです。細胞代謝で見られるほとんどの有機化合物を還元する能力があります。 シトクロムbdオキシダーゼは嫌気性条件下で活性化されます。 シトクロムboオキシダーゼよりも酸素に対する親和性が高く、無酸素状態の細胞にとって有用である可能性があります。[ 9 ]