転写調節とオペロン説
大腸菌のラクトースオペロンを例に、遺伝子発現の ON/OFF 切り替えのしくみを学ぶ。
- オペロンの構造（プロモーター・オペレーター・構造遺伝子）を図示できる
- ラクトースオペロンの誘導の仕組みを説明できる
- 転写調節が生物にとってエネルギーの節約になる理由を説明できる
なぜ遺伝子はいつもONではないのか
体をつくるすべての細胞は同じ遺伝子セットをもっているのに、肝細胞と神経細胞では働いているタンパク質が違います。また大腸菌のような細菌は、栄養源となる糖が変わるたびに必要な酵素を作り分けます。つまり遺伝子には、情報を読み取ってタンパク質を作る発現の ON / OFF を切り替える仕組みがあり、これによって生物は無駄なタンパク質合成を避けてエネルギーを節約しているのです。原核生物でこの仕組みを最初に解明したのがジャコブとモノーによるオペロン説（1961年）です。
オペロンの構造
オペロンとは、機能の関連する複数の構造遺伝子（酵素のアミノ酸配列をコードする遺伝子）がひとまとまりになって並び、その上流に共通の制御領域が付いた単位です。制御領域には RNA ポリメラーゼが結合して転写を始める足場になるプロモーターと、転写の ON / OFF のスイッチとして働くオペレーターがあります。RNA ポリメラーゼがプロモーターから構造遺伝子へ通り抜けられるかどうかが、オペレーターの状態で決まります。オペレーターはプロモーターの下流側にあり、そこにタンパク質が結合するとポリメラーゼの進行がさえぎられて転写が止まります。
| 要素 | 役割 |
|---|---|
| プロモーター | RNAポリメラーゼが結合する場所（転写開始の足場） |
| オペレーター | 調節タンパク質（リプレッサー）が結合するスイッチ部分 |
| 構造遺伝子群 | 実際にタンパク質の設計図となる遺伝子の並び |
| リプレッサー遺伝子 | リプレッサー（調節タンパク質）を作る。オペロンの外にあることが多い |
ラクトースオペロンのON/OFF切り替え
大腸菌は通常グルコースを好んで使いますが、培地の糖がラクトースだけになると、ラクトースの利用に関わる3種類のタンパク質（分解酵素や輸送タンパク質など）を一斉に作り始めます。ラクトースがないときには、リプレッサーがオペレーターに結合して RNA ポリメラーゼの通り道をふさいでいるため、転写は OFF です。ラクトースが入ってくると、その一部（アロラクトース）が誘導物質としてリプレッサーに結合し、リプレッサーの形を変えてオペレーターから外します。するとプロモーターに結合した RNA ポリメラーゼが構造遺伝子を通過できるようになり、mRNA が転写されて酵素が大量に合成されます（誘導）。
- OFF: リプレッサーがオペレーターに結合 → RNAポリメラーゼが通れない → 酵素の合成は強く抑えられる（少量の基礎的発現はある）
- ON: 誘導物質（ラクトースから生じるアロラクトース）がリプレッサーに結合 → リプレッサーがオペレーターから外れる → 転写・翻訳が進む
- ラクトースがなくなるとリプレッサーが再びオペレーターにつき、転写は止まる
- このように基質の有無で遺伝子のスイッチが切り替わる系を誘導系という（反対に、普通は ON で最終産物が増えると OFF になる系は抑制系。なお、既存の酵素の活性を下げるフィードバック阻害とは区別する）
ラクトースオペロンにおいて、リプレッサー遺伝子に変異が起きてリプレッサーがオペレーターに結合できなくなった変異株がある。ラクトースがなくてもβ-ガラクトシダーゼは作られるか。
解答・解説
**作られる**。リプレッサーがオペレーターに結合できないので、RNAポリメラーゼは常に構造遺伝子を転写できる。つまりオペロンが恒常的に ON になり、不要でも酵素を作り続ける変異となる。
練習問題
RNAポリメラーゼが結合して転写を始める場所の名前を答えよ。
ヒント
転写の「着地点」にあたる制御領域。
解答・解説
**プロモーター**（オペレーターはスイッチ、プロモーターはポリメラーゼの足場）
ラクトースが加わると転写が始まるのはなぜか。誘導物質とリプレッサーの関係に触れて説明せよ。
ヒント
誘導物質がリプレッサーの形を変えさせる。
解答・解説
ラクトース由来の誘導物質がリプレッサーに結合してその立体構造を変え、**オペレーターへの結合力を失わせる**ため。リプレッサーが外れた通路を RNA ポリメラーゼが通過して転写が開始される。
オペロン説によれば、細菌が不要な酵素を作らないようにすることでどんな利益を得ているか。
ヒント
転写や翻訳には原料とエネルギー（ATP）が必要。
解答・解説
不要な mRNA やタンパク質の合成に使う**ヌクレオチド・アミノ酸・ATP といった資材とエネルギーを節約**でき、限られた栄養環境で有利に生き残れる。
問1. オペレーターに結合して転写を妨げるタンパク質はどれか。
問2. ラクトースオペロンで誘導物質として働くのはどれか。
問3. オペロンの転写が ON になる条件はどれか。