lacオペロンは、関数のラクトースの代謝に関与するタンパク質のためのコードである構造遺伝子の群です。それらは、ほぼすべての細菌のゲノムで連続して配列される遺伝子であり、「モデル」細菌である大腸菌で特別な努力をもって研究されてきました。
lacオペロンは、1961年にジェイコブとモノドがオペロンの形で遺伝的配置を提案するために使用したモデルでした。彼らの研究では、これらの著者は、1つ以上の遺伝子の発現が、成長培地中の分子（例えば、ラクトース）の存在の結果として、どのように「オン」または「オフ」になるかを説明しました。
lacオペロンの一般的なスキーム。テレセイク。G3pro画像の派生作品。アレハンドロポルトによるスペイン語翻訳。
炭素質化合物またはグルコースやガラクトースなどのラクトース以外の糖が豊富な成長培地で成長する細菌は、ラクトースの代謝に必要なタンパク質が非常に少量です。
次に、ラクトースが存在しない場合、オペロンは「オフ」になり、RNAポリメラーゼがlacオペロンに対応する遺伝子セグメントを転写するのを防ぎます。細胞がラクトースの存在を「感知」すると、オペロンが活性化され、これらの遺伝子は正常に転写されます。これはオペロンを「オンにする」こととして知られています。
オペロンのすべての遺伝子はメッセンジャーRNAの単一分子に翻訳されるため、lacオペロンのこのメッセンジャーRNAの転写を調節する因子は、それに属する遺伝子の転写を直接調節します。
発見
ジェイコブとモノドの理論は、DNAの構造についてほとんど知られていない状況で発展しました。そして、ワトソンとクリックがDNAとRNAの構造について彼らの提案をする前にたった8年しか経っていないので、メッセンジャーRNAはほとんど知られていませんでした。
1950年代のJacobとMonodは、細菌の乳糖代謝が、乳糖の有無の2つの非常に特殊な条件によって遺伝的に調節されていることをすでに示していました。
両方の科学者は、アロステリック酵素に類似した特性を持つタンパク質が培地中のラクトースの存在を検出でき、糖が検出されると、2つの酵素の転写が刺激されることを観察しました：ラクトースパーミアーゼとガラクトシダーゼ。
今日では、パーミアーゼがラクトースの細胞への輸送に機能を果たしていること、およびガラクトシダーゼがラクトース分子をグルコースとガラクトースに「分解」または「切断」する必要があるため、細胞が構成部分でこの二糖を利用できます。
1960年代までに、ラクトースパーミアーゼとガラクトシダーゼが、それぞれZ領域とY領域の2つの隣接する遺伝子配列によってコードされることがすでに決定されていました。
Lacオペロンは、大腸菌のゲノムの一部です。出典：NIAID、Wikimedia Commons経由
最後に、1961年に、ジェイコブとモノドは5つの遺伝的要素で構成される遺伝モデルを発表しました。
-プロモーター
-オペレーターと
-遺伝子Z、Y、A
これらのすべてのセグメントは、単一のメッセンジャーRNAに翻訳され、事実上すべての細菌オペロンを定義するために不可欠な部分を構成します。
遺伝分析と実験
Jacob、Monod、および彼らの共同研究者は、菌株をラクトースを代謝できなくする突然変異を起こした細菌細胞を用いて多くの実験を行いました。そのような株は、株の名前とそれらが所有する対応する突然変異によって識別されました。
このようにして、研究者たちは、β-ガラクトシダーゼをコードするlacZ遺伝子と、ラクトースパーミアーゼをコードするlacY遺伝子の変異が、lacタイプの細菌、つまりラクトースを代謝できない細菌を産生したことを特定できました。 。
制限酵素を使用した「遺伝子マッピング」から、その後、異なる株における遺伝子の位置が決定され、これにより、3つの遺伝子lacZ、lacY、およびlacAが（この順序で）細菌の染色体上で見つかることを確立できました。隣接する遺伝子のグループ。
オペロンの「一部」とは必ずしも見なされない、リプレッサータンパク質と呼ばれる別のタンパク質の存在は、lacI-と呼ばれる遺伝子の変異により解明されました。これは、オペロンの「オペレーター」領域に結合し、β-ガラクトシダーゼとラクトースパーミアーゼの遺伝子の転写を妨げるタンパク質をコードします。
これらのタンパク質は実際には後者の「上流」に位置し、異なるメッセンジャーRNAに転写されるため、このタンパク質はlacオペロンを構成する遺伝子の一部ではないと言われています。
lacオペロンの概略図（出典：ウィキメディア・コモンズ経由でオランダ語版ウィキペディアのバルバロッサ）
lacI-変異を「構成的に」持つ菌株は、lacZ、lacY、およびlacA遺伝子を発現します。これは、細胞外環境におけるラクトースの有無に関係なく発生します。
これらの観察の多くは、lacI +およびlacZ +遺伝子を、無乳糖培地でこれらの遺伝子によってコードされるタンパク質を生成しなかった細菌細胞に移すことによって裏付けられました。
この方法で「形質転換」された細菌は、ラクトースの存在下で酵素β-ガラクトシダーゼのみを生成したため、実験により、lacI遺伝子がlacオペロン発現の調節に重要であることが確認されました。
関数
lacオペロンは、細菌が炭素とエネルギーの供給源として乳糖を資化するために必要な遺伝子の転写を調節します。ただし、これらの遺伝子の転写は、主なエネルギー源がガラクトシド型の炭水化物に対応する場合にのみ発生します。
細菌細胞では、グルコースまたは代謝されやすい他の糖の存在下で、lacオペロン遺伝子の発現を調節するメカニズムがあります。
これらの糖の代謝には、細胞内部への輸送とそれに続く分解または処理が含まれます。
ラクトースはバクテリアの代替エネルギー源として使用され、グルコースなどの環境内の他のエネルギー源が枯渇した後でも、バクテリアが生き残るのを助けます。
lacオペロンモデルは、その種の最初の遺伝システムが解明されたため、さまざまな種類の微生物のゲノムで他の多くのオペロンを記述するための基礎として機能しました。
このシステムの研究により、DNAに結合する「リプレッサー」タイプのタンパク質の機能を理解する上で多くの進歩がありました。アロステリック酵素の理解と、1つまたは別の基質を認識する際にそれらが選択的に作用する方法についても進展がありました。
lacオペロンの研究から生まれたもう1つの重要な進歩は、メッセンジャーRNAがDNAに含まれる指示を翻訳する際に、またタンパク質合成の予備段階として果たす重要な役割の確立でした。
参考文献
- グリフィス、AJ、ウェスラー、SR、レウォンティン、RC、ゲルバート、WM、鈴木、DT、およびミラー、JH（2005）。遺伝分析の紹介。マクミラン。
- Hartwell、L.、Goldberg、ML、Fischer、JA、Hood、LE、&Aquadro、CF（2008）。遺伝学：遺伝子からゲノムへ（pp。978-0073227382）。ニューヨーク：マグローヒル。
- ルイス・M（2013）。アロステリーとlacオペロン。分子生物学ジャーナル、425（13）、2309-2316。
- Müller-Hill、B.&Oehler、S.（1996）。lacオペロン（p。66-67）。ニューヨーク:: Walter de Gruyter。
- パーカーJ.（2001）。lacオペロン。
- Yildirim、N.、およびKazanci、C.（2011）。生化学反応ネットワークの決定論的および確率論的シミュレーションと分析：乳糖オペロンの例。酵素学の方法（Vol。487、pp。371-395）。アカデミックプレス。