サムネイル|GAL4-UASシステムの例。GAL4系統とUASレポーター系統の交配を示す。 GAL4-UASシステム（ギャルフォー・ユーエーエス・システム）は、酵母に由来するGAL4タンパクとUASを利用した遺伝子発現システムである。キイロショウジョウバエなどの生物において遺伝子発現と機能を研究するために用いられる。これは、Hitoshi Kakidaniとマーク・プタシュネ、およびNicholas WebsterとPierre Chambonによる、Gal4がUAS配列に結合して遺伝子発現を活性化するという1988年の発見に基づいている。この手法は1993年にAndrea BrandとNorbert Perrimonによってハエに導入され To create GAL4-responsive target genes, we designed a vector into which genes can be subcloned behind a tandem array of five optimized GAL4 binding sites (hereafter referred to as the UAS, for Upstream Activation Sequence)
http://dev.biologists.org/content/118/2/401.long、遺伝子発現を研究するための強力な技術と見なされている。このシステムは、出芽酵母の転写因子（転写活性化タンパク質）であるGal4をコードするGal4遺伝子と、GAL4が特異的に結合して遺伝子の転写を活性化するエンハンサーであるUAS（上流活性化配列）の2つの要素から構成される。
概要 Gal4システムは、どの細胞が遺伝子やタンパク質を発現しているかを特定する問題と、実験者がその知識を用いて何をしたいかという問題を分離することを可能にする。遺伝学者たちは、動物の組織の特定のサブセットでGAL4を発現するモデル生物（通常はショウジョウバエ）の遺伝的変異体を作成しており、これらは「GAL4系統」と呼ばれる。例えば、ある系統は筋肉細胞のみ、あるいは神経のみ、あるいは触角のみにGAL4を発現する。特にショウジョウバエにおいては、そのような系統が数万種類存在しており、最も有用なものは動物の非常に特異的なサブセット（例えば、ハエの脳の特定の2つの区画を接続するニューロンのみなど）にのみGAL4を発現する。GAL4がこれらの細胞内に存在すること自体は、細胞にほとんど影響を与えない。なぜなら、GAL4の主な作用はUAS領域に結合することであり、ほとんどの細胞はUAS領域を持っていない（あるいは無害である）ためである。
Gal4それ自体は可視化できず、細胞にほとんど影響を与えないため、このシステムに必要なもう一つの要素が「レポーター系統」である。これは、目的の遺伝子の隣に特別なUAS領域を持つハエの系統である。これらの遺伝的指令は動物のすべての細胞に存在するが、ほとんどの細胞ではGAL4が作られていないため、何も起こらない。しかし、GAL4を産生している細胞ではUASが活性化され、その隣にある遺伝子がオンになり、結果としてタンパク質の産生が始まる。これは、どの細胞がGAL4を発現しているかを研究者に知らせる（これが「レポーター系統」と呼ばれる所以である）が、細胞の挙動を操作することを目的とした遺伝子もよく使用される。
典型的なレポーター遺伝子には以下のものが含まれる。
緑色蛍光タンパク質（GFP）や赤色蛍光タンパク質（RFP）などの蛍光タンパク質。これにより、科学者はどの細胞がGal4を発現しているかを観察できる。 チャネルロドプシン。これにより、光に反応して神経細胞を活性化できる。 ハロロドプシン。逆に、光を用いてニューロンの発火を抑制することができる。 シビレ（Shibire）。これは神経細胞の働きを停止させるが、高温（30 °C以上）でのみ作用する。この遺伝子を持つハエは、神経細胞が正常に機能する低温で飼育および試験を行うことができる。その後、ハエの体温を上げる（ハエは変温動物であるため）ことで、これらのニューロンの働きが停止する。ハエの行動が変化すれば、そのニューロンがどのような役割を果たしているかの強力な手がかりとなる。 GECI（遺伝学的にコードされたカルシウムインジケーター）。多くの場合、GCaMPファミリーのタンパク質が用いられる。これらのタンパク質はカルシウムに曝露されると蛍光を発し、ほとんどの細胞ではこれはニューロンが発火したときに起こる。これにより、科学者は動作中の神経系を示す写真や動画を撮影することができる。
GAL4/UASシステムは、転写を活性化されるGAL4タンパクによってUASと呼ばれる配列下に導入した遺伝子を強制発現させることができる。プロモーターを利用して特定の細胞種でのみGAL4を発現させ、全身にUAS-レポーター遺伝子を持つ個体と掛け合わせれば、特定の細胞種でのみレポーター遺伝子を発現できる。レポーター遺伝子の代わりに毒素の遺伝子を用いれば、特定の細胞種のみを殺すことができる。
例えば、科学者はまず、目的のニューロン群でGAL4を発現するGAL4系統からハエを選び、それをGFPを発現するレポーター系統と交配させることで、特定のニューロンのクラスを可視化することができる。子孫では、目的の細胞のサブセットがGAL4を作り出し、これらの細胞内でGAL4がUASに結合してGFPの産生を可能にする。これにより、目的の細胞のサブセットは緑色に蛍光を発し、蛍光顕微鏡で追跡できるようになる。次に、これらの細胞が何をしているのかを解明するために、実験者は同じGAL4系統をチャネルロドプシンレポーター系統と交配させることで、それぞれの細胞にチャネルロドプシンを発現させることができる。子孫では、選択された細胞（そしてその細胞のみ）がチャネルロドプシンを含み、明るい光によって活性化させることができる。これで、科学者はこれらの特定の細胞を意図的に活性化させ、結果として生じる行動を観察することで、これらの細胞の機能を調べることができる。
動作原理 Gal4は、大きく分けてDNA結合ドメインと活性化ドメインから構成されるモジュール状のタンパク質である。GAL4が結合するUASは CGG-N11-CCG であり、Nは任意の塩基である。GAL4は通常は他の生物には存在しない酵母のタンパク質であるが、ショウジョウバエやヒトの細胞など、さまざまな生物で転写活性化因子として機能することが示されており、遺伝子発現のメカニズムが進化の過程で保存されてきたことを浮き彫りにしている。
ショウジョウバエにおける研究では、GAL4遺伝子は内在性の遺伝子プロモーター、すなわちドライバー遺伝子の制御下に置かれ、一方でUASは標的遺伝子の発現を制御する。GAL4は、ドライバー遺伝子が通常活性化している細胞でのみ発現する。次に、GAL4はUASが導入された場所でのみ遺伝子の転写を活性化するはずである。例えば、GFPのような可視マーカーをコードする遺伝子を融合させることで、ドライバー遺伝子の発現パターンを決定することができる。GAL4とUASは、通常は存在せず、その発現が細胞内の他のプロセスを妨げないため、ショウジョウバエにおける遺伝子発現の研究に非常に有用である。例えば、ショウジョウバエにおけるGAL4/UAS制御の導入遺伝子は、グリア細胞での発現を変化させて、色素分散因子（PDF）と呼ばれる既知の概日リズム出力において不整脈のような行動を引き起こすために使用されてきた。しかしながら、いくつかの研究では、ショウジョウバエにおけるGAL4の過剰発現は、おそらく本質的に外来タンパク質に対する免疫応答やストレス応答に関連する副作用を引き起こす可能性があることが示されている。
GAL4-UASシステムは、アフリカツメガエルやゼブラフィッシュなど、ショウジョウバエ以外の生物における遺伝子発現の研究にも採用されている。
また、GAL4/UASシステムは、2つのタンパク質間、あるいはタンパク質とDNA間の相互作用を特定する手法であるツーハイブリッド法にも利用されている。
応用 Gal4の発現は、「交差戦略（intersectional strategies）」によってさらに特異性を高めることができる。これは、2つの異なるGAL4系統（例えばAとB）を組み合わせ、系統Aには存在するが系統Bには存在しない細胞、あるいは系統AとBの両方に存在する細胞にのみGAL4が発現するようにする手法である。本質的に発現が疎なGAL4系統と組み合わせることで、これは非常に特異的な選択を提供し、しばしば単一の細胞型に限定される。欠点としては、少なくとも3つの独立した挿入部位が必要となるため、各系統は異なる独立した挿入部位を使用しなければならず、目的の最終的な生物を作出するには複数回の交配が必要になることである。これは非常に活発な研究分野であり、数多くの交差戦略が存在するが、そのうちの2つを以下で説明する。
系統Aには存在するが系統Bには存在しない細胞でGAL4を発現させる方法の一つとして、系統AにGAL4を発現させ、系統BにGAL4の阻害剤であるGal80を発現させる方法がある。したがって、Aには存在するがBには存在しない細胞のみが活性なGAL4を持ち、これがレポーター遺伝子を駆動することができる。
AとBの両方に含まれる細胞のみでGAL4を発現させるには、「split-GAL4」と呼ばれる技術を使用することができる。系統AはGAL4タンパク質の半分を発現するように作られるが、これ単独では不活性である。同様に、系統BはGAL4のもう半分を発現するように作られ、これも単独では不活性である。両方の系統に存在する細胞のみが両方の半分を作り出し、それらがロイシンジッパーによって自己組織化してGAL4となり、レポーター遺伝子を活性化する。
UASG GAL4/UASシステムに用いられるUASは主に酵母のGal1・Gal10を制御するUAS (UASG)である。UASGは複数のGAL4結合領域からなっている。GAL4/UASシステムはそのうち一部を利用している。 typesequencespeciesfinder/developerusecaseUASGⅠCGGATTAGAAGCCGCCGyeastGiniger, et al., 1985.https://doi.org/10.1016/0092-8674(85)90336-8ⅡCGGGTGACAGCCCTCCGyeastGiniger, et al., 1985.ⅢAGGAAGACTCTCCTCCGyeastGiniger, et al., 1985.ⅣCGCGCCGCACTGCTCCGyeastGiniger, et al., 1985.near-consensus synthetic 17 bpCGGAAGACTCTCCTCCGsyntheticGAL4認識配列の発見を証明するため、人工的な認識配列を作製 > To test the assertion that we have identified the GAL4 protein recognition sequence, we synthesized an “improved” site containing the innermost 15 bp of the natural site 3, but with the outer two base pairs altered to agree with our consensus sequence (Figure 7).
https://doi.org/10.1016/0092-8674(85)90336-8Giniger, et al., 1985.17MCGGAGTACTGTCCTCCGsynthetic The sequence of this binding site is 5'-CGGAGTACTGTCCTCCG-3’ and contains a single base change (G->T) from the perfect palindromic consensus to create a ScaⅠ site. > https://doi.org/10.1016/0092-8674(88)90505-3Webster, et al.. 1988.https://doi.org/10.1016/0092-8674(88)90505-3pT2RUASGCaMP7a (5x)http://kawakami.lab.nig.ac.jp/seq11.html, pUAST (5x, fly gene expression), pUASTattB (5x, fly gene expression), pMF3 (10x, GD RNAi library in Vienna Drosophila Resource Center) その他のUASG: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/3011415/
欠点 UASのゲノムサイレンシングが問題になる場合があるEach UAS is 17 base pairs long, roughly palindromic, and in the form of CGG-N11-CCG. The CpG dinuleotides are essential for Gal4 binding (Marmorstein et al., 1992) and serve as a target for methylation (Goll et al., 2009).
https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC3065955/ため、至適UASリピート数には限界があるhttps://www.researchgate.net/post/How_many_tandem_repeats_of_UAS_is_ideal_for_making_a_zebrafish_transgenic。また、高レベルで発現したGAL4タンパク質自体が、宿主細胞の通常の転写機構に干渉して細胞毒性を引き起こすことがある。
脚注