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遺伝学において、オペロンとは、単一のプロモーターの制御下にある遺伝子群を含む機能的なDNA単位である。[ 1 ]これらの遺伝子は一緒にmRNA鎖に転写され、細胞質で一緒に翻訳されるか、またはスプライシングを受けて、それぞれが単一の遺伝子産物をコードする複数のmRNA鎖である、単シストロン性mRNAが生成され、別々に翻訳される。この結果、オペロンに含まれる遺伝子は一緒に発現するか、全く発現しないかのどちらかとなる。オペロンを定義するには、複数の遺伝子が共転写される必要がある。[ 2 ]
当初、オペロンは原核生物（細菌由来の色素体などの細胞小器官を含む）にのみ存在すると考えられていたが、 1990年代初頭に真核生物にも存在することが示され、稀であると考えられている。 [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]一般的に、原核生物のオペロンの発現はポリシストロン性mRNAの生成につながり、真核生物のオペロンはモノシストロン性mRNAの生成につながる。
オペロンはバクテリオファージなどのウイルスにも見られます。[ 7 ] [ 8 ]例えば、T7ファージは2つのオペロンを持っています。最初のオペロンは、2番目のオペロンに結合して転写できる特殊なT7 RNAポリメラーゼを含むさまざまな産物をコードしています。2番目のオペロンには、宿主細胞を破裂させる機能を持つ溶解遺伝子が含まれています。 [ 9 ]
「オペロン」という用語は、 1960 年にフランス科学アカデミー紀要に掲載された短い論文で初めて提案されました。[ 10 ]この論文から、いわゆるオペロンの一般理論が発展しました。この理論では、すべての場合において、オペロン内の遺伝子は、最初の遺伝子の前にある単一のオペレーターで作用するリプレッサーによって負に制御されることが示唆されました。後に、遺伝子は正に制御される可能性があり、転写開始後の段階でも制御される可能性があることが発見されました。したがって、異なるオペロンは異なるメカニズムを持つため、一般的な制御メカニズムについて語ることはできません。今日では、オペロンは単に単一の mRNA 分子に転写される遺伝子のクラスターとして定義されています。それでも、この概念の発展は、分子生物学の歴史における画期的な出来事と考えられています。最初に記述されたオペロンは、大腸菌のlacオペロンでした。[ 10 ] 1965年のノーベル生理学・医学賞は、オペロンとウイルス合成に関する発見により、フランソワ・ジャコブ、アンドレ・ミシェル・ルウォフ、ジャック・モノに授与されました。
オペロンは主に原核生物に存在しますが、まれに、 C. elegansやショウジョウバエDrosophila melanogasterなどの線虫を含む一部の真核生物にも存在します。[ 3 ] rRNA遺伝子は、脊索動物を含むさまざまな真核生物で発見されているオペロンに存在することが多いです。オペロンは、共通のプロモーターの下に配置され、共通のオペレーターによって制御される複数の構造遺伝子で構成されています。これは、隣接する構造遺伝子のセットと、構造遺伝子の転写に影響を与える隣接する制御シグナルとして定義されます。[ 5 ] [ 12 ]特定のオペロンの調節因子（リプレッサー、コプレッサー、アクチベーターなど）は、必ずしもそのオペロンによってコードされているわけではありません。調節因子、プロモーター、オペレーター、構造 DNA 配列の位置と状態によって、一般的な突然変異の影響が決定されます。
オペロンはレギュロン、スチュロン、モジュロンと関連している。オペロンは同じオペレーターによって制御される遺伝子のセットを含み、レギュロンは単一の制御タンパク質によって制御される遺伝子のセットを含み、スチュロンは単一の細胞刺激によって制御される遺伝子のセットを含む。著者らによると、「オペロン」という用語は「操作する」という動詞に由来する。[ 13 ]
オペロンには、通常1つのポリシストロン性mRNA（複数のタンパク質をコードする単一のmRNA分子）に転写される1つ以上の構造遺伝子が含まれています。ただし、オペロンの定義ではmRNAがポリシストロン性である必要はありませんが、実際には通常ポリシストロン性です。[ 6 ]構造遺伝子の上流には、RNAポリメラーゼが結合して転写を開始する場所を提供するプロモーター配列があります。プロモーターの近くには、オペレーターと呼ばれるDNAのセクションがあります。
オペロンの構造遺伝子はすべて、上流にある単一のプロモーターとオペレーターによって同時にオンまたはオフにされますが、遺伝子発現をより細かく制御する必要がある場合があります。この目的を達成するために、一部の細菌遺伝子は近くに配置されていますが、それぞれに特定のプロモーターがあります。これは遺伝子クラスタリングと呼ばれます。通常、これらの遺伝子は、代謝経路などの同じ経路で一緒に機能するタンパク質をコードしています。遺伝子クラスタリングは、原核細胞が代謝酵素を正しい順序で生成するのに役立ちます。[ 14 ]ある研究では、アスガルド（古細菌）では、リボソームタンパク質コード遺伝子が、他の古細菌よりも構成が保存されていないクラスターに存在する と仮定されています。アスガルド（古細菌）が真核生物に近いほど、リボソームタンパク質コード遺伝子の配置はより分散しています。[ 15 ]
オペロンは、3つの基本的なDNA構成要素から成り立っています。
オペロン内に必ずしも含まれているわけではないが、その機能において重要なのが、抑制タンパク質をコードする常時発現遺伝子である調節遺伝子である。調節遺伝子は、オペロンを制御するために、オペロン内、隣接、あるいは近くにある必要はない。[ 17 ]
誘導物質（低分子化合物）は、オペレーター部位（DNA）から抑制物質（タンパク質）を置換することができ、その結果、抑制されていないオペロンが生じる。
あるいは、コアプレッサーがリプレッサーに結合することで、リプレッサーがオペレーター部位に結合できるようになる場合もある。この種の調節の良い例として、trpオペロンが挙げられる。
オペロンの制御は、生物が環境条件に応じてさまざまな遺伝子の発現を調節することを可能にする遺伝子調節の一種です。オペロンの調節は、誘導または抑制によって負または正のいずれかになります。[ 16 ]
負の制御とは、リプレッサーがオペレーターに結合することで転写を阻害する仕組みである。
オペロンは正の制御を受けることもある。正の制御では、活性化タンパク質がDNAに結合することによって転写を促進する（通常はオペレーター以外の部位に結合する）。
モデル細菌である大腸菌のlacオペロンは、最初に発見されたオペロンであり、オペロン機能の典型的な例を示しています。lacオペロンは、隣接する3つの構造遺伝子、プロモーター、ターミネーター、およびオペレーターから構成されています。lacオペロンは、グルコースとラクトースの存在量を含むいくつかの要因によって制御されています。アロラクトースによって活性化されることもあります。ラクトースはリプレッサータンパク質に結合し、遺伝子転写の抑制を阻害します。これは、脱抑制型（上記：負の誘導型）モデルの一例です。つまり、ラクトースまたはアロラクトースの存在によって誘導される負の誘導型オペロンです。
1953年にジャック・モノと同僚によって発見された大腸菌のtrpオペロンは、最初に発見された抑制可能なオペロンです。lacオペロンは化学物質（アロラクトース）によって活性化されますが、トリプトファン（Trp）オペロンは化学物質（トリプトファン）によって抑制されます。このオペロンには、trp E、trp D、trp C、trp B、およびトリプトファン合成酵素をコードするtrp Aという5つの構造遺伝子が含まれています。また、RNAポリメラーゼに結合するプロモーターと、オペレーターに結合する抑制遺伝子（trp R）によって合成されたタンパク質に結合すると転写を阻害するオペレーターも含まれています。lacオペロンでは、ラクトースが抑制タンパク質に結合して遺伝子転写の抑制を妨げますが、trpオペロンでは、トリプトファンが抑制タンパク質に結合して遺伝子転写の抑制を可能にします。また、lacオペロンとは異なり、trpオペロンには段階的な調節を可能にするリーダーペプチドとアテニュエーター配列が含まれています。 [ 18 ]これは共抑制モデルの一例です。
オペロンの数と構成は、大腸菌において最も詳細に研究されてきた。その結果、生物のゲノム配列に基づいて予測を行うことができるようになった。
ある予測方法では、読み取りフレーム間の遺伝子間距離をゲノム内のオペロン数の主要な予測因子として使用します。分離は単にフレームを変更するだけで、読み取りが効率的であることを保証します。オペロンの開始と終了には、多くの場合40～50塩基にも及ぶ長い領域が存在します。[ 19 ]
オペロンを予測する別の方法は、2つ以上のゲノムで遺伝子の順序と向きが保存されている遺伝子クラスターを見つけることに基づいている。[ 20 ]
オペロンの予測精度は、分子の機能クラスを考慮に入れるとさらに向上する。細菌は、タンパク質複合体、共通経路、または共通の基質や輸送体への関与によって、読み取り枠を単位ごとにクラスター化している。したがって、正確な予測にはこれらのすべてのデータが必要となるが、これは非常に困難な作業である。
パスカル・コサールの研究室は、微生物リステリア・モノサイトゲネスのすべてのオペロンを実験的に同定した最初の研究室である。517個のポリシストロン性オペロンは、さまざまな条件下でリステリア・モノサイトゲネスに起こる転写の全体的な変化を記述した2009年の研究に記載されている。 [ 21 ]
プライマリープロモーターはオペロンの主要な制御因子です。しかし、多くのオペロンには内部プロモーターがあります。たとえば、大腸菌のオペロンの半分には内部プロモーターがあります。プライマリープロモーターと内部プロモーターの両方が同時に撹乱されるとどうなるでしょうか。最近の研究では、各オペロンの各遺伝子がこのようなゲノム全体のストレスにどのように反応するかを追跡しました。[ 22 ]彼らは、そのような条件下ではオペロンの多くの転写イベントが早期に終了することを発見しました。また、内部プロモーターがこれらの終了を大幅に補償し、オペロンに沿って波のような応答パターンを作り出すことも発見しました。次に、バチルス・サブチリス、コリネバクテリウム・グルタミカム、ヘリコバクター・ピロリなどの進化的に遠縁の細菌でも同じことが起こることが示されました。