ラクトースオペロン
ラクトースオペロン（lactose operon）とは、ラクトース（乳糖）分解に関与する一連の遺伝子の集合で、リプレッサーとオペレーターによりRNAへの転写が支配されている転写単位となっている。
1961年のフランソワ・ジャコブとジャック・モノーによる大腸菌のラクトースオペロンに関する研究と、その際に提唱されたオペロン説は、遺伝子発現の調節に関する研究の大きな転換点となった。
概要
オペロンとは、構造遺伝子および調節領域(→調節遺伝子)が形成している、一つの制御単位であるが、このページではその例の一つであるクラスター、lacZYAについて解説する。lacZYAはラクトース代謝系の３つの構造遺伝子lacZ、lacY、lacAで構成されている。
- lacZ:β-ガラクトシダーゼ(EC 3.2.1.23)をコードする。この分子の活性型は約500kDaの四量体である。この酵素はβ-ガラクトシドを単糖に分解する。たとえば、ラクトースはグルコースとガラクトースに分解される[1]。詳細は「LacZ」を参照
- lacY:β-ガラクトシドパーミアーゼをコードしている。これは30kDaの膜結合型蛋白質で、膜輸送系を構成していてβ-ガラクトシドを細胞内に取り込む。
- lacA:ガラクトシドアセチルトランスフェラーゼ（トランスアセチラーゼとも）(EC 2.3.1.18)をコードしている。これはアセチルCoAからβ-ガラクトシドにアセチル基を転移させる酵素である。
大腸菌のラクトースオペロン
大腸菌においては、lacI（リプレッサーの構造遺伝子）に続いて、調節領域であるlacP（プロモーター配列）、lacO（オペレーター配列）の二つと、構造遺伝子領域であるlacZ。、lacY、lacAの三つが並んでいる。
===(P,O)=''lacI''==(T)==========''lac''(P),''lac''(O)==''lacZ''==''lacY''==''lacA''==(T)==
lacIは常時発現しており、一定の速度でリプレッサー蛋白質を生産している。このリプレッサー蛋白質は、DNA上のlacオペレーターとの親和性が高く、通常この領域を認識し、結合している。リプレッサーがオペレーターに結合した状態にあるときは、RNAポリメラーゼのプロモーター領域への結合が阻害され、以降に続くlacZ、lacY、lacAの構造遺伝子のmRNAへの転写が抑制されている。
リプレッサー --------------------------
↑ ↓
===(P,O)=''lacI''==(T)==========''lac''(P),''lac''(O)==''lacZ''==''lacY''==''lacA''==(T)==
×
↑
（RNA pol） 転写が抑制される。
リプレッサー -------ラクトース----------
↑ ↓
↑ ×
===(P,O)=''lacI''==(T)==========''lac''(P),''lac''(O)==''lacZ''==''lacY''==''lacA''==(T)==
↑
（RNA pol） -----------------------------------→転写促進される。
リプレッサー蛋白質は、アロラクトース（細胞内でラクトースが異性化したもの）などの誘導物質と結合すると高次構造が変化し、不活性型となってオペレーターから解離する（あるいは結合できなくなる）。リプレッサー蛋白質がオペレーターから解離すると、RNAポリメラーゼによるlacZ、lacY、lacAの構造遺伝子のmRNAへの転写が可能になる。こうした調節因子（今回はlacI）の働きを変える因子（今回はラクトース）の事をインデューサーという。
カタボライト抑制
ラクトースのみがラクトースオペロンのインデューサーとして機能するだけではなく、ラクトースの代謝産物であるグルコースもインデューサーとして機能する。ラクトースおよびグルコースが大量に存在する場合、ラクトースを分解する反応は大腸菌にとっては不必要である。そのため、ラクトースリプレッサーとは別の発現調節がなされる。
グルコースの存在下ではカタボライト抑制と言われる発現調節機能が働く。lacPプロモーターは前半部分がCAP結合部位（またはCRP結合部位）、後半がRNAポリメラーゼ結合部位となっている。CAP（あるいはCRP）とは、カタボライト遺伝子活性化蛋白質のことで、CAPはcAMP（環状AMP）と結合することにより活性化する。lacオペロンの構造遺伝子の転写を促進するためには、CAP-cAMP複合体がCAP結合部位に結合している必要がある。
CAP-cAMP ---------------→転写促進
====CAP結合部位===''lac''(P),(O)==''lacZ,Y,A''==(T)==
カラ 転写効率の低下→
====CAP結合部位===''lac''(P),(O)==''lacZ,Y,A''==(T)==
グルコースの存在下においてEIIA酵素は非リン酸化状態で存在し、これによってアデニル酸シクラーゼ(EC 4.6.1.1)やラクトースパーミアーゼは不活性化する。それゆえ、アデニル酸シクラーゼによりATPから合成されるcAMPは低濃度となり、同時にラクトースは外部から細胞内に取り込まれることはなくなる。通常のグルコースが十分にある条件下では、cAMPの細胞内の濃度は、CAP-cAMP複合体が形成できるほどにはならず、グルコースは優先して消費される。 グルコースが減少してくると、リン酸化されたEIIA酵素が蓄積し、アデニル酸シクラーゼが活性化してcAMPが盛んに生産される。それゆえCAP-cAMP複合体が形成されるようになる。
結果として、ラクトースオペロンは、ラクトースが存在し、グルコースが不足した条件下にあるとき、初めて発現することとなる。ラクトースとグルコースが豊富に存在する場合では、カタボライト抑制によりまずグルコースが消費され、その後にラクトースが消費される。こうした培地で育てた大腸菌は、二段階増殖（2度の対数増殖期を迎える）の増殖曲線を描く。
注釈
- ^ そしてこれは更に代謝される