Lacリプレッサー

lacリプレッサー（LacI）は、細菌におけるラクトース代謝に関わるタンパク質をコードする遺伝子の発現を阻害するDNA結合タンパク質です。これらの遺伝子は、細胞にラクトースが利用できない場合に抑制され、細菌はラクトースが存在する場合にのみ、ラクトースの取り込みと利用に必要な機構の生産にエネルギーを投資します。ラクトースが利用可能になると、まず細菌内のβ-ガラクトシダーゼ（lacZ ）によってアロラクトースに変換されます。アロラクトースと結合したlacリプレッサーのDNA結合能はアロステリック調節によって阻害されるため、ラクトースの取り込みと利用に関わるタンパク質をコードする遺伝子が発現できるようになります。

lacリプレッサー（LacI）は、DNA結合ドメインのヘリックス・ターン・ヘリックスモチーフによって機能し、lacオペロンのオペレーター領域の主溝に塩基特異的に結合し、対称関係にあるαヘリックス、すなわち「ヒンジ」ヘリックスの残基も塩基接触を形成し、副溝の奥深くに結合します。^{[ 1 ]}この結合したリプレッサーは、RNAポリメラーゼ結合部位を遮断するか、DNAループ形成を促進することによって、Lacタンパク質の転写を減少させることができます。 ^{[ 2 ]}ラクトースが存在する場合、アロラクトースがlacリプレッサーに結合し、その形状にアロステリック変化を引き起こします。変化した状態では、lacリプレッサーは対応するオペレーターにしっかりと結合することができません。したがって、誘導物質がない場合、この遺伝子はほとんどオフになり、誘導物質がある場合、ほとんどオンになりますが、遺伝子発現の程度は細胞内のリプレッサーの数とリプレッサーのDNA結合親和性に依存します。^{[ 3 ]}イソプロピルβ-D-1-チオガラクトピラノシド（IPTG）は、 lacリプレッサーによって制御される遺伝子の転写を誘導するために使用できる、一般的に使用されるアロラクトース模倣物質です。

構造的には、lacリプレッサータンパク質はホモテトラマーです。より正確には、テトラマーはそれぞれ2つのモノマーからなる2つのDNA結合サブユニット（ダイマーのダイマー）を含んでいます。各モノマーは4つの異なる領域から構成されています。^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}

• N末端DNA結合ドメイン（2つのLacIタンパク質が1つのオペレーター部位に結合する領域）
• 調節ドメイン（アロラクトースというアロステリックエフェクター分子に結合するコアドメインと呼ばれることもある）
• DNA結合ドメインとコアドメインをつなぐリンカー（ヒンジヘリックスと呼ばれることもあり、アロステリック伝達に重要^{[ 6 ]}）
• C末端四量体化領域（4つのモノマーをαヘリックス束で結合する領域）

DNA結合はN末端のヘリックス・ターン・ヘリックス構造モチーフを介して起こり、複数のオペレーターDNA配列（O1、O2、O3として知られる）のいずれかに標的化される_。O1オペレーター_配列は_{プロモーター}とわずかに重複しており、これによりRNAポリメラーゼのプロモーター配列への親和性が高まり_、伸長段階に入ることができず、不完全な開始状態にとどまる。さらに、各テトラマーは2つのDNA結合サブユニットを含むため、1つのテトラマーによる複数のオペレーター配列の結合はDNAループ形成を誘導する。^{[ 7 ]}

各モノマーは360個のアミノ酸から構成されているため、合計で1440個のアミノ酸から構成され、原子量は154,520ダルトンである。^{[ 8 ]}

LacI は、標的オペレーター DNA を驚くほど速く見つけます。試験管内での探索は、3 次元 (3D) で拡散によって互いを探索する 2 つの粒子の理論上の上限よりも 10 ～ 100 倍速いです。 ^{[ 9 ]}この高速な探索を説明するために、LacI や他の転写因子(TF) は、3D での自由拡散と DNA 上での 1D スライディングの組み合わせである促進拡散によって結合部位を見つけるという仮説が立てられました。 ^{[ 10 ]}スライディング中、リプレッサーは DNA ヘリックスと接触し、その主溝に沿って滑り回り、TF が横からオペレーターに滑り込むときに標的の長さを伸ばすことで探索プロセスを加速します。現在、大腸菌細胞を用いたin vivo単一分子実験により、促進拡散モデルがテストされ検証されており、TF は、自発的に解離して 3D でゲノムの探索を再開する前に、各スライディング イベントで平均 45 bp をスキャンすることが示されています。^{[ 11 ]}これらの実験は、LacI が結合する前に O ₁オペレーター上を数回スライドすることを示唆しており、これは、異なる DNA 配列が TF との遭遇ごとに認識される確率が異なる可能性があることを意味します。これは、非特異的な配列での高速な探索と特定の配列への結合との間のトレードオフを意味します。^{[ 11 ]}生体内および試験管内実験では、オペレーターを認識する確率が DNA 配列によって変化する一方、TF がオペレーター上の結合コンフォメーションにとどまる時間は配列によってあまり変化しないことが示されています。^{[ 12 ]} TF は、制御しようとしている配列から離れることが多いですが、強力な標的部位では、ほぼ常に非常に短い移動をしてから再び戻る道を見つけます。巨視的なスケールでは、これは安定した相互作用のように見えます。この結合メカニズムは、DNA 結合タンパク質が、真の標的に似た配列に長くとどまることなく、細胞のゲノムを迅速に探索する方法を説明します。

全原子分子動力学シミュレーションによると、転写因子はスライディング中に 1 kBT、解離時に 12 kBT の障壁に遭遇し、_リプレッサーは平均して 8 bp 滑ってから解離することが示唆されている。^{[ 13 ]} _lacリプレッサーの生体内探索モデルには、セグメント間の移動とホッピング、および他のタンパク質による混雑が含まれており、これにより大腸菌細胞のゲノムはリプレッサーにとってアクセスしにくくなっている。^{[ 14 ]}タンパク質が DNA の主溝から滑り出て、DNA 鎖に沿った近くの別の溝に着地するホッピングの存在は、in vitro でより直接的に証明されており、lacリプレッサーは、移動中にオペレーターを迂回し、向きを反転させ、DNA の 10.5 bp 周期よりも長いピッチで回転することが観察されている。^{[ 15 ]}

lacリプレッサーは、 1966年にウォルター・ギルバートとベンノ・ミュラー＝ヒルによって初めて単離された。 ^{[ 16 ]}彼らは、試験管内でこのタンパク質がlacオペロンを含むDNAに結合し、 IPTG（アロラクトースの類似体）を加えるとDNAを放出することを示した。

LacI はLacI/GalR ファミリー(NF007075、PTHR30146)のプロトタイプメンバーであり、HTH DNA 結合ドメイン (IPR000843)、リンカー、および調節ドメイン (IPR028082、G3DSA:3.40.50.2300; cd01537; PF13377) の類似した構造を持つ転写調節因子のグループです。四量体化テールは普遍的ではありません。それらのほとんどは同様にアロステリック調節を受けるリプレッサーですが、一部は活性化因子として機能します (CcpA のように抑制に加えて、Lactobacillus MalR のように主に/活性化のみの場合もあります)。^{[ 17 ]}それらが制御するオペロンの数も異なります。^{[ 6 ]}キメラ調節因子は、ファミリーの異なる調節因子の HTH ドメインと調節ドメインを混合することによって作成されています。^{[ 18 ]}

アロステリック結合は、LacI様調節因子のDNA結合能力を増減させる可能性がある。その効果は、結合する特定のリガンドによって異なり、誘導物質（アロラクトースやIPTGなど）、抗誘導物質、中性リガンド（ONPGなど）が四量体LacIに知られている。^{[ 6 ]}

GalRは、もう一つの代表的なメンバーであり、 galオペロンの類似の調節因子である。^{[ 6 ]}これは純粋なリプレッサーというよりは、DNAループ形成四量体に加えて、より弱い抑制作用を持つ二量体としても機能することができる。^{[ 19 ]}

• ラクトースオペロン

• 米国国立医学図書館の医学主題見出し（MeSH）におけるLacリプレッサー
• lacリプレッサー分子 に関する詳細情報（タンパク質データベースのアーカイブ、2010年5月28日）
• Proteopedia の Lac リプレッサー。