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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のクラスターを含むDNAの機能単位である。[1]遺伝子はmRNA鎖に一緒に転写され、細胞質で一緒に翻訳されるか、スプライシングを受けてモノシストロニックmRNA が生成され、個別に翻訳される。つまり、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。その結果、オペロンに含まれる遺伝子は一緒に発現するか、まったく発現しないかのいずれかになる。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]
もともと、オペロンは原核生物（細菌由来のプラスチド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ましたが、1990年代初頭に真核生物での発見が示され、まれであると考えられています。[3] [4] [5] [6]一般に、原核生物のオペロンの発現はポリシストロニック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ニックmRNAにつながります。
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]たとえば、T7ファージには2つのオペロンがあります。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ポリメラーゼなど、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ための溶解遺伝子が含まれています。 [9]
歴史
「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開発されました。この理論は、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位置する単一のオペレーターに作用するリプレッサーによって負に制御されることを示唆していました。後に、遺伝子は正に制御され、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、異なるオペロンには異なるメカニズムがあるため、一般的な制御メカニズムについて話すことはできません。今日、オペロンは、単一の mRNA 分子に転写される遺伝子のクラスターとして単純に定義されています。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見なされています。最初に説明されたオペロンは、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・ルヴォフ、ジャック・モノに授与されました。
概要
オペロンは主に原核生物に発生しますが、まれに線虫のC. elegansやショウジョウバエのDrosophila melanogasterなどの一部の真核生物にも発生します。[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よく存在します。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いくつか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]リプレッサー、コリプレッサー、およびアクティベーターを含む特定のオペロンの調節因子は、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、および構造 DNA 配列の位置と状態は、一般的な突然変異の影響を決定します。
オペロンはレギュロン、スティムロン、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セットを含むのに対し、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セットを含み、スティムロンは単一の細胞刺激によって制御される遺伝子セットを含む。著者によると、「オペロン」という用語は「動作する」という動詞に由来している。[13]
転写の単位として
オペロンには1つ以上の構造遺伝子が含まれており、通常は1つのポリシストロニック mRNA（複数のタンパク質をコードする単一のmRNA分子）に転写されます。しかし、オペロンの定義ではmRNAがポリシストロニックである必要はありませんが、実際には通常ポリシストロニックです。[6]構造遺伝子の上流にはプロモーター配列があり、 RNAポリメラーゼが結合して転写を開始する場所を提供します。プロモーターの近くにはオペレーターと呼ばれるDNAセクションがあります。
オペロンと原核生物遺伝子のクラスター化
オペロンのすべての構造遺伝子は、それらの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切り替わりますが、遺伝子発現に対するより詳細な制御が必要になる場合があります。この側面を実現するために、いくつかの細菌遺伝子は互いに近くに配置されますが、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クラスター内に存在し、その組織は他の古細菌よりも保存性が低いと 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分散しています。[15]
一般的な構造
オペロンは 3 つの基本的な DNA コンポーネントで構成されています。
- プロモーター–遺伝子の転写を可能にするヌクレオチド配列。プロモーターはRNA ポリメラーゼによって認識され、転写を開始します。RNA 合成では、プロモーターはメッセンジャー RNA の作成にどの遺伝子を使用するかを示し、ひいては細胞がどのタンパク質を生成するかを制御します。
- オペレーター–リプレッサーが結合するDNAセグメント。これは、lac オペロンではプロモーターとオペロンの遺伝子の間のセグメントとして古典的に定義されています。[16] lacオペロンの主なオペレーター (O1)はプロモーターの少し下流に位置し、2 つの追加オペレーター O2 と O3 はそれぞれ -82 と +412 に位置しています。リプレッサーの場合、リプレッサー タンパク質は RNA ポリメラーゼが遺伝子を転写するのを物理的に妨害します。
- 構造遺伝子- オペロンによって共制御される遺伝子。
オペロン内に常に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は、リプレッサータンパク質をコードする、常に発現している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、オペロン内やオペロンに隣接したり、オペロンの近くにある必要はない。[17]
インデューサー（小分子）は、オペレーター部位（DNA）からリプレッサー（タンパク質）を置換し、阻害されないオペロンを生成します。
あるいは、コリプレッサーがリプレッサーに結合して、オペレーター部位への結合を可能にすることもできます。このタイプの制御の良い例は、trpオペロンに見られます。
規制
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制御できるようにする遺伝子制御の一種です。オペロン制御は、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]
ネガティブコントロールでは、転写を防ぐためにリプレッサーがオペレーターに 結合します。
- 負の誘導性オペロンでは、通常、制御リプレッサータンパク質がオペレーターに結合し、オペロン上の遺伝子の転写を防止します。誘導分子が存在する場合、リプレッサーに結合してその構造を変化させ、オペレーターに結合できなくなります。これにより、オペロンの発現が可能になります。lacオペロンは負に制御される誘導性オペロンであり、誘導分子はアロラクトースです。
- 負の抑制オペロンでは、オペロンの転写が正常に行われる。リプレッサータンパク質は調節遺伝子によって生成されるが、通常の構造ではオペレーターに結合することができない。しかし、コリプレッサーと呼ばれる特定の分子はリプレッサータンパク質に結合し、活性部位の構造変化を引き起こす。活性化されたリプレッサータンパク質はオペレーターに結合し、転写を防ぐ。トリプトファン（それ自体がコリプレッサーとして機能する）の合成に関与するtrpオペロンは、負に制御される抑制オペロンである。
オペロンはポジティブに制御することもできます。ポジティブ制御では、活性化タンパク質が DNA に結合して (通常はオペレーター以外の場所で) 転写を刺激します。
- 正の誘導性オペロンでは、活性化タンパク質は通常、関連する DNA に結合することができません。誘導因子が活性化タンパク質に結合すると、DNA に結合して転写を活性化できるように構造が変化します。正の誘導性オペロンの例には、転写活性化因子の MerR ファミリーが含まれます。
- 正の抑制オペロンでは、活性化タンパク質は通常、関連する DNA セグメントに結合します。ただし、阻害因子が活性化因子に結合すると、DNA への結合が妨げられます。これにより、システムの活性化と転写が停止します。
のラックオペロン
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。これは、プロモーター、ターミネーター、オペレーターの3 つの隣接する構造遺伝子で構成されています。lacオペロンは、グルコースとラクトースの利用可能性を含むいくつかの要因によって制御されます。アロラクトースによって活性化されます。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妨げます。これは、抑制解除可能(上から: 負の誘導性) モデルの例です。したがって、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性オペロンです。
のトリプオペロン
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した。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) によって阻害されます。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 の 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リプレッサー遺伝子 (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ブロックするオペレーターも含まれています。 lacオペロンでは、ラクトースがリプレッサータンパク質に結合して遺伝子転写の抑制を阻止しますが、trpオペロンでは、トリプトファンがリプレッサー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制御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例です。
オペロンの数と構成の予測
オペロンの数と構成は、大腸菌で最も厳密に研究されています。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ます。
1つの予測法では、ゲノム内のオペロンの数を予測する主な方法として、リーディングフレーム間の遺伝子間距離を使用します。分離は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より長い領域があり、その長さは40～50塩基に達することがよくあります。[19]
オペロンを予測する別の方法は、遺伝子の順序と方向が2つ以上のゲノムで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ます。[20]
オペロンの予測は、分子の機能クラスを考慮するとさらに正確になります。細菌は、タンパク質複合体、共通経路、または共有基質とトランスポーターへの共関与によって隔離されたユニットに読み取りフレームをクラスター化しています。したがって、正確な予測にはこれらすべてのデータが必要となり、これは確かに困難な作業です。
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初めて実験的に特定した。517個のポリシストロニックオペロンは、さまざまな条件下でリステリア・モノサイトゲネスに発生する転写の全体的な変化を説明した2009年の研究に記載されている。[21]
参照
参考文献
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外部リンク
- 結核菌 H37Rv オペロン相関ブラウザ
- OBD - Operon データベース(ただし、使いにくい)