真核生物の遺伝子構造、真核生物における転写の開始と終結

🧠 真核生物の転写は「1遺伝子・1プロモーター・1mRNA」という原核生物とは対照的な原則の上に成り立ち、DNAがヌクレオソームnucleosomeヌクレオソーム（nucleosome）nucleosome（ヌクレオソーム）に包まれているという追加の障壁を越えるために、原核生物にはない大量の一般転写因子general transcription factor一般転写因子（general transcription factor）general transcription factor（一般転写因子）（TFIIA〜H）を必要とする。 RNAポリメラーゼがI・II・IIIの3種に分化している点、転写と翻訳が核と細胞質で時間的・空間的に分離されている点も、単一のRNAポリメラーゼが核も細胞質もない場所で転写と翻訳を同時に行う原核生物との際立った対比をなす。

真核生物のRNAポリメラーゼ

真核生物は3種類のRNAポリメラーゼ（I、II、III）を持つが、原核生物はホロ酵素holoenzymeホロ酵素（holoenzyme）holoenzyme（ホロ酵素）（α₂ββ′）1種類のみを持つ。もう1つの違いは、原核生物では転写と翻訳が同時に起こるのに対し、真核生物ではRNAがまず核内で転写され、その後細胞質で翻訳される点である。

（加えて、ミトコンドリア転写用のミトコンドリアRNAポリメラーゼが存在する）

真核生物遺伝子の構造

真核生物の遺伝子（共に機能するタンパク質をコードするもの）は、そのDNA上で物理的に離れていることが多い——通常は異なる染色体に位置する。各遺伝子The genes各遺伝子（The genes）The genes（各遺伝子）は自身のプロモーターから転写され1本のmRNAを産生し、これが翻訳されて単一のポリペプチドを生む（原核生物では単一のプロモーターが多数のタンパク質をコードすることが多いのと対照的）。

遺伝子はまず、エキソンexonエキソン（exon）exon（エキソン）配列とそれらを分けるイントロン配列の両方を含む配列転写産物へ転写される。その後イントロンが除去され、エキソンexonエキソン（exon）exon（エキソン）が繋ぎ合わされる（比較：原核生物のDNAは非コードのギャップがほとんどなく密に詰まっており、DNAは直接mRNAへ転写される）。

真核生物RNAポリメラーゼII依存性プロモーターの4配列

ターミネーター配列terminator sequenceターミネーター配列（terminator sequence）terminator sequence（ターミネーター配列）： 遺伝子のコード区間のすぐ下流にあるDNA配列で、RNAポリメラーゼにより転写停止のシグナルとして認識される。

シグナル：

• 5′キャップ付加のための上流配列シグナル： mRNAの5′端へのキャップ（7-メチルグアノシンguanosineグアノシン（guanosine）guanosine（グアノシン）、7-methylguanosine）付加のシグナル。キャップは翻訳開始translation initiation翻訳開始（translation initiation）translation initiation（翻訳開始）の促進とmRNAの安定化を担う
• ポリA尾部付加のための下流配列シグナル： AAUAAA配列がポリA尾部付加のシグナルとなる。mRNAをより安定にし分解を防ぐ（注：ポリA尾部は転写後に付加される）

真核生物細胞における転写開始

真核生物の転写開始transcription initiation転写開始（transcription initiation）transcription initiation（転写開始）は、ヌクレオソームnucleosomeヌクレオソーム（nucleosome）nucleosome（ヌクレオソーム）およびより高次higher order高次（higher order）higher order（高次）のクロマチン構造に梱包されたDNA上で起こらなければならない。真核生物のRNAポリメラーゼは多数の因子を必要とし、これらは総称して一般転写因子general transcription factor一般転写因子（general transcription factor）general transcription factor（一般転写因子）と呼ばれる——RNAポリメラーゼIIRNA polymerase IIRNAポリメラーゼII（RNA polymerase II）RNA polymerase II（RNAポリメラーゼII）によって転写される大部分の遺伝子のプロモーターで必要とされるためである。

RNAポリメラーゼIIRNA polymerase IIRNAポリメラーゼII（RNA polymerase II）RNA polymerase II（RNAポリメラーゼII）による転写開始transcription initiation転写開始（transcription initiation）transcription initiation（転写開始）には、以下を助ける開始因子が必要である：

1. RNAポリメラーゼをプロモーターへ正しく位置づける
2. 鋳型鎖が酵素の活性部位active site活性部位（active site）active site（活性部位）に入れるよう2本のDNA鎖を引き離す手助けをする

一般転写因子（TFII、ポリメラーゼII用転写因子）

開始複合体の形成

1. TFIIDのサブユニットであるTBPが最初にTATAボックスプロモーター（DNAの主溝major groove主溝（major groove）major groove（主溝）内）に結合する。TAF（TBP関連因子、TBP-associated factor）はTATAボックスを欠くプロモーターからの転写を開始する。TBPが開始因子複合体の組み立てを開始する
2. TFIIBがBREに結合する（RNAポリメラーゼIIRNA polymerase IIRNAポリメラーゼII（RNA polymerase II）RNA polymerase II（RNAポリメラーゼII）が転写開始transcription initiation転写開始（transcription initiation）transcription initiation（転写開始）部位でDNA鎖を溶かすのを助け、ポリメラーゼII活性部位active site活性部位（active site）active site（活性部位）近傍の鋳型鎖と相互作用する）
3. TFIIBとRNAポリメラーゼIIRNA polymerase IIRNAポリメラーゼII（RNA polymerase II）RNA polymerase II（RNAポリメラーゼII）が結合——ポリメラーゼを開始部位上に位置づける
4. TFIIEがTFIIHのためのドッキングdockingドッキング（docking）docking（ドッキング）部位を作る
5. TFIIHの結合により転写前開始複合体initiation complex開始複合体（initiation complex）initiation complex（開始複合体）の組み立てが完了する（TFIIHのサブユニットがATPエネルギーを用いて転写開始transcription initiation転写開始（transcription initiation）transcription initiation（転写開始）部位のDNAを巻き戻し、鋳型鎖をポリメラーゼへ露出させる）
6. RNAポリメラーゼIIRNA polymerase IIRNAポリメラーゼII（RNA polymerase II）RNA polymerase II（RNAポリメラーゼII）のCTD（C末端ドメイン、C-terminal domain）がTFIIHによりリン酸化される——この段階は開始複合体initiation complex開始複合体（initiation complex）initiation complex（開始複合体）の解放とmRNA伸長開始に必要（CTDは7アミノ酸のタンデム反復tandem repeatタンデム反復（tandem repeat）tandem repeat（タンデム反復））
7. 前開始複合体initiation complex開始複合体（initiation complex）initiation complex（開始複合体）の組み立て後：TFIID（+TFIIA）はRNAポリメラーゼIIRNA polymerase IIRNAポリメラーゼII（RNA polymerase II）RNA polymerase II（RNAポリメラーゼII）がプロモーター領域から転写を進める間もTATAボックスに残留する一方、TFIIB・F・Hは完全に解離する
8. RNAポリメラーゼIIRNA polymerase IIRNAポリメラーゼII（RNA polymerase II）RNA polymerase II（RNAポリメラーゼII）がDNAに結合→転写開始transcription initiation転写開始（transcription initiation）transcription initiation（転写開始）

クロマチンの壁を越える機構

真核生物細胞ではDNAがヌクレオソームnucleosomeヌクレオソーム（nucleosome）nucleosome（ヌクレオソーム）へ梱包され、さらに高次higher order高次（higher order）higher order（高次）のクロマチン構造へ組織化されている。このためコアプロモーターcore promoterコアプロモーター（core promoter）core promoter（コアプロモーター）のTATAボックスは梱包されたDNA内に非常によく隠されている。そこでTFはTATAボックスに到達するための助けを必要とする：

1. 活性化因子： エンハンサーenhancerエンハンサー（enhancer）enhancer（エンハンサー）と呼ばれるDNA上の配列に結合しなければならないタンパク質。RNAポリメラーゼIIRNA polymerase IIRNAポリメラーゼII（RNA polymerase II）RNA polymerase II（RNAポリメラーゼII）を転写開始transcription initiation転写開始（transcription initiation）transcription initiation（転写開始）点へ誘引する機能を持つ
2. メディエーター： 活性化因子タンパク質（エンハンサーenhancerエンハンサー（enhancer）enhancer（エンハンサー））がRNAポリメラーゼIIRNA polymerase IIRNAポリメラーゼII（RNA polymerase II）RNA polymerase II（RNAポリメラーゼII）・TFと適切に通信できるようにする巨大なタンパク質複合体。メディエーター複合体mediator complexメディエーター複合体（mediator complex）mediator complex（メディエーター複合体）は転写を活性化/抑制しうる
3. クロマチン修飾酵素modifying enzyme修飾酵素（modifying enzyme）modifying enzyme（修飾酵素）： クロマチンリモデリングchromatin remodelingクロマチンリモデリング（chromatin remodeling）chromatin remodeling（クロマチンリモデリング）複合体・ヒストン修飾histone modificationヒストン修飾（histone modification）histone modification（ヒストン修飾）酵素を含み、クロマチンの共有結合修飾covalent modification共有結合修飾（covalent modification）covalent modification（共有結合修飾）によりヌクレオソームnucleosomeヌクレオソーム（nucleosome）nucleosome（ヌクレオソーム）のきつい構造を緩めDNAへのアクセスを増加させる

→ 結果としてDNA上にTF装置の組み立てが助けられる（15-regulation-of-the-transcription-in-eukaryotes参照）。

真核生物転写の終結

mRNAの最後の部分は3′-ポリA尾部であり、これが転写終結の目印となる。RNAポリメラーゼIIRNA polymerase IIRNAポリメラーゼII（RNA polymerase II）RNA polymerase II（RNAポリメラーゼII）が遺伝子の末端に達すると、類似した機構がpre-mRNAの3′端を適切にプロセシングする：

1. RNAポリメラーゼIIRNA polymerase IIRNAポリメラーゼII（RNA polymerase II）RNA polymerase II（RNAポリメラーゼII）が3′端をコードする配列に達する
2. CstF（切断刺激因子CstF (cleavage stimulation factor)切断刺激因子（CstF (cleavage stimulation factor)）CstF (cleavage stimulation factor)（切断刺激因子）、cleavage stimulation factor）とCPSF（切断＋ポリアデニル化特異性因子cleavage and polyadenylation specificity factor (CPSF)ポリアデニル化特異性因子（cleavage and polyadenylation specificity factor (CPSF)）cleavage and polyadenylation specificity factor (CPSF)（ポリアデニル化特異性因子）、cleavage and polyadenylation specificity factor）という2つのタンパク質がRNAポリメラーゼの尾部とともに移動する
3. RNAがRNAポリメラーゼIIRNA polymerase IIRNAポリメラーゼII（RNA polymerase II）RNA polymerase II（RNAポリメラーゼII）から切断され、CstFとCPSFが新たに切断されたRNA分子上の認識配列に結合し、それらとともに他のタンパク質が組み立ってmRNAの3′端を作る
4. PAP（ポリA重合酵素、polyA polymerase）がATPを用いて切断によって生じた3′端に約200個のアデニンヌクレオチドAMP+ADP+ATPアデニンヌクレオチド（AMP+ADP+ATP）AMP+ADP+ATP（アデニンヌクレオチド）を付加する
5. RNAポリメラーゼIIRNA polymerase IIRNAポリメラーゼII（RNA polymerase II）RNA polymerase II（RNAポリメラーゼII）は合成されたmRNAの3′端が切断された後も配列の転写を続ける——このため新生RNAは5′キャップを欠く（保護されていないため、5′→3′エキソヌクレアーゼexonucleaseエキソヌクレアーゼ（exonuclease）exonuclease（エキソヌクレアーゼ）がポリメラーゼ尾部に沿ったヌクレオチドを分解する）

flowchart TD
  A["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='RNA polymerase II'>RNAポリメラーゼII</span>が3'端<span class='jp-term jp-term-diagram' title='coding sequence'>コード配列</span>に到達"] --> B["CstF・CPSFがポリメラーゼ尾部とともに移動"]
  B --> C["RNAが切断され、CstF・CPSFが認識配列に結合"]
  C --> D["PAPがATP依存性に約200<span class='jp-term jp-term-diagram' title='adenine'>アデニン</span>残基を3'端へ付加"]
  D --> E["ポリメラーゼは転写を継続するが下流産物は5'キャップを欠く"]
  E --> F["5'→3'<span class='jp-term jp-term-diagram' title='exonuclease'>エキソヌクレアーゼ</span>が無防備な下流RNAを分解"]

まとめ

• 真核生物は3種のRNAポリメラーゼ（I：rRNA、II：mRNA/snRNA、III：tRNA/5S rRNA等）を持ち、原核生物の単一ポリメラーゼとは異なりα-アマニチンamanitin (α-amanitin)アマニチン（amanitin (α-amanitin)）amanitin (α-amanitin)（アマニチン）感受性も異なる。
• 真核生物遺伝子は1プロモーター1mRNAの原則に従い、TATAボックス・BRE・DPE・INRという4要素からなるRNAポリメラーゼIIRNA polymerase IIRNAポリメラーゼII（RNA polymerase II）RNA polymerase II（RNAポリメラーゼII）依存性プロモーターと、エキソンexonエキソン（exon）exon（エキソン）-イントロン構造を持つ。
• 転写開始transcription initiation転写開始（transcription initiation）transcription initiation（転写開始）はTBP（TATAボックス認識）→TFIIB（位置決め）→TFIIE/H（DNA巻き戻し、ATP依存性）という順序で一般転写因子general transcription factor一般転写因子（general transcription factor）general transcription factor（一般転写因子）が組み立てられ、RNAポリメラーゼIIRNA polymerase IIRNAポリメラーゼII（RNA polymerase II）RNA polymerase II（RNAポリメラーゼII） CTDのリン酸化が開始複合体initiation complex開始複合体（initiation complex）initiation complex（開始複合体）解放の引き金となる。
• クロマチンに埋もれたプロモーターへは活性化因子・メディエーター・クロマチン修飾酵素modifying enzyme修飾酵素（modifying enzyme）modifying enzyme（修飾酵素）という3層の補助機構がアクセスを可能にする。
• 転写終結はCstF/CPSFによる3’端切断とPAPによるポリA尾部付加を伴い、下流に残るRNAは5’キャップを欠くため急速に分解される。