大腸菌RNAポリメラーゼの構造と機能；原核生物における転写の開始と終結

🧠 原核生物のRNARNA（ribonucleic acid）ポリメラーゼは「コア酵素core enzyme コア酵素（core enzyme）core enzyme（コア酵素） （α₂ββ′ω）＝伸長担当」＋「σ因子＝プロモーター認識担当」の脱着式ユニットである。 σが結合したホロ酵素 holoenzyme ホロ酵素（holoenzyme） holoenzyme（ホロ酵素） はDNADNA（deoxyribonucleic acid）全体への親和性を1000倍下げる代わりにプロモーター配列 promoter sequence プロモーター配列（promoter sequence） promoter sequence（プロモーター配列） への特異性を獲得し、σが外れたアポ酵素 apoenzyme アポ酵素（apoenzyme） apoenzyme（アポ酵素） （コア）は高い進行性で伸長に専念する——「探す」役割と「作る」役割を1つのタンパク質複合体内で切り替えるこの脱着機構が、原核生物の転写開始 transcription initiation転写開始（transcription initiation） transcription initiation（転写開始）・伸長・終結の全体設計を貫いている。

転写とRNAポリメラーゼの基本

転写とはDNAのセグメントをRNAへコピーする過程であり、RNAポリメラーゼという酵素によって行われる。

機能： RNAポリメラーゼはヌクレオチドを連結して線状鎖を形成するホスホジエステル結合 phosphodiester bond ホスホジエステル結合（phosphodiester bond） phosphodiester bond（ホスホジエステル結合） の形成を触媒する。

過程： RNAポリメラーゼはDNAに沿って段階的に移動し、重合の活性部位 active site 活性部位（active site） active site（活性部位） の直前でDNAらせんを巻き戻し、鋳型鎖の新しい領域を相補的塩基対合 base pairing 塩基対合（base pairing） base pairing（塩基対合） のために露出させる。DNA2本鎖のうち一方が鋳型として働き、3′→5′方向にコピーされる。新生RNA鎖nascent RNA strand 新生RNA鎖（nascent RNA strand）nascent RNA strand（新生RNA鎖） は5′→3′方向にリボヌクレオチド ribonucleotide リボヌクレオチド（ribonucleotide） ribonucleotide（リボヌクレオチド） を付加することで伸長する。

RNAポリメラーゼとDNAポリメラーゼの違い

1. RNAポリメラーゼはリボヌクレオチド ribonucleotide リボヌクレオチド（ribonucleotide） ribonucleotide（リボヌクレオチド） （デオキシリボヌクレオチドdeoxyribonucleotide デオキシリボヌクレオチド（deoxyribonucleotide）deoxyribonucleotide（デオキシリボヌクレオチド） ではない）の連結を触媒する——コード鎖と同一の塩基を持つが、チミンthymine, T チミン（thymine, T）thymine, T（チミン） の代わりにウラシル uracil ウラシル（uracil） uracil（ウラシル） が用いられる
2. DNAポリメラーゼと異なり、RNAポリメラーゼはプライマーを必要とせずRNA鎖を開始できる——転写はDNA複製ほど高い正確性を要求されないためと考えられている
3. DNAポリメラーゼは産物をセグメントごとに作り後で繋ぎ合わせるが、RNAポリメラーゼは絶対的 absolute 絶対的（absolute） absolute（絶対的） に進行性（プロセッシブ）である——1つのRNA分子を開始した同じRNAポリメラーゼが、DNA鋳型から解離することなくそれを完成させなければならない

転写方向： 細菌染色体の短い区間では、ある遺伝子は一方のDNA鎖を鋳型として、別の遺伝子はもう一方の鎖を鋳型として転写される——転写方向は各遺伝子 The genes 各遺伝子（The genes） The genes（各遺伝子） 先頭のプロモーターによって決定される。

RNAポリメラーゼの構造

アポ酵素apoenzymeアポ酵素（apoenzyme）apoenzyme（アポ酵素）：活性化に補因子を要する酵素の不活性型 inactive form不活性型（inactive form） inactive form（不活性型）。 ホロ酵素holoenzymeホロ酵素（holoenzyme）holoenzyme（ホロ酵素）：アポ酵素 apoenzyme アポ酵素（apoenzyme） apoenzyme（アポ酵素） ＋その補因子。

細菌のRNAポリメラーゼは、2つの大サブユニットβ・β′、2つの小サブユニット small subunit小サブユニット（small subunit） small subunit（小サブユニット）α、そしてプロモーター認識を担うσ因子（σ-factor）からなる（合計5サブユニット、約400 kDa）。

⚠️ コア酵素core enzyme コア酵素（core enzyme）core enzyme（コア酵素） にはもう1つ、ω（オメガ）サブユニットがある。 大腸菌RNAポリメラーゼのサブユニット組成は β′βα(I)α(II)ω と決まっており、コア酵素core enzyme コア酵素（core enzyme）core enzyme（コア酵素） は α₂ββ′ω の5サブユニット、ホロ酵素holoenzyme ホロ酵素（holoenzyme）holoenzyme（ホロ酵素） は α₂ββ′ωσ の6サブユニットである。ω（rpoZ遺伝子産物）は真核生物RNAポリメラーゼI・II・IIIに共通する必須サブユニットRPB6と配列・構造・機能のいずれでも相同で、β′に「掛け金（latching）」のように結合してRNAポリメラーゼの組み立てを促進する¹。したがって「組み立てを助ける」のはσではなくωの役割であり、σはプロモーター認識に専念する。またσは最小サブユニットではない——σ70（約70 kDa）はα（約36.5 kDa）よりもむしろ大きく、最小はω（約10 kDa）である。上の「合計5サブユニット・約400 kDa」はωを数に入れていない数え方（コア4鎖＋σ）で、ωを含めるとコア酵素 core enzyme コア酵素（core enzyme） core enzyme（コア酵素） が5サブユニット・約400 kDa、σを足したホロ酵素 holoenzyme ホロ酵素（holoenzyme） holoenzyme（ホロ酵素） が6サブユニット・約450 kDaとなる。

σ因子の役割：

• アポ酵素apoenzyme アポ酵素（apoenzyme）apoenzyme（アポ酵素） （コア酵素core enzymeコア酵素（core enzyme）core enzyme（コア酵素））は任意のDNA配列に高い親和性で結合する
• ホロ酵素holoenzyme ホロ酵素（holoenzyme）holoenzyme（ホロ酵素） の一般的なDNA親和性はアポ酵素 apoenzyme アポ酵素（apoenzyme） apoenzyme（アポ酵素） の1000分の1に低下する
• 同時に、ホロ酵素holoenzyme ホロ酵素（holoenzyme）holoenzyme（ホロ酵素） はプロモーター配列 promoter sequence プロモーター配列（promoter sequence） promoter sequence（プロモーター配列） への親和性が増大する

RNAポリメラーゼのDNAへの結合

プロモーター配列promoter sequence プロモーター配列（promoter sequence）promoter sequence（プロモーター配列） はRNAポリメラーゼによる遺伝子の転写がどこで始まるかを規定するDNA配列である。RNAポリメラーゼ（ホロ酵素holoenzymeホロ酵素（holoenzyme）holoenzyme（ホロ酵素））の結合は転写開始 transcription initiation 転写開始（transcription initiation） transcription initiation（転写開始） 部位の約70 bp上流から約30 bp下流にわたる領域で起こる（慣例として、RNA分子の始まりに対応する塩基対 base pairing 塩基対（base pairing） base pairing（塩基対） には正の番号、それに先行する塩基対 base pairing 塩基対（base pairing） base pairing（塩基対） には負の番号が付けられる——プロモーター領域 promoter region プロモーター領域（promoter region） promoter region（プロモーター領域） はおよそ-70から+30まで及ぶ）。

プロモーターは-10・-35を中心とする2つの短い配列に類似性を持つ：

強いプロモーター： コンセンサス配列が（進化的に）保存されており改変されていないため、開始は毎時間起こる——σ因子への親和性が高く、RNAポリメラーゼの結合頻度が高い。

弱いプロモーター： コンセンサス配列が改変されているため、開始は週/月に1回程度しか起こらない——σ因子への親和性が低く、RNAポリメラーゼの結合頻度が低い。

転写の開始

flowchart TD
  A["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='holoenzyme'>ホロ酵素</span>が<span class='jp-term jp-term-diagram' title='deoxyribonucleic acid'>DNA</span>へ緩く結合しプロモーターを探索"] --> B["プロモーターを発見：クローズド複合体（closed complex、<span class='jp-term jp-term-diagram' title='deoxyribonucleic acid'>DNA</span>無傷）"]
  B --> C["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='double helix'>二重らせん</span>が開く：オープン複合体（open complex、部分的巻き戻し）"]
  C --> D["約10ヌクレオチドの<span class='jp-term jp-term-diagram' title='transcription bubble'>転写バブル</span>形成"]
  D --> E["σ因子が露出した一本鎖に結合し安定化、他方の鎖が鋳型として機能"]
  E --> F["最初の<span class='jp-term jp-term-diagram' title='ribonucleic acid'>RNA</span>ヌクレオチド合成後、σサブユニットが解離"]
  F --> G["ポリメラーゼがプロモーターを離れ<span class='jp-term jp-term-diagram' title='deoxyribonucleic acid'>DNA</span>に沿って移動を開始"]
  G --> H["伸長：1ヌクレオチド付加ごとに1<span class='jp-term jp-term-diagram' title='base pairing'>塩基対</span>前進、<span class='jp-term jp-term-diagram' title='apoenzyme'>アポ酵素</span>が継続"]

1. ホロ酵素holoenzyme ホロ酵素（holoenzyme）holoenzyme（ホロ酵素） がDNAへ緩く結合し、プロモーターを見つけるまで滑るように移動する（クローズド複合体＝結合DNAが無傷の状態）
2. きつく結合したRNAポリメラーゼ（ホロ酵素holoenzymeホロ酵素（holoenzyme）holoenzyme（ホロ酵素））が二重らせん double helix 二重らせん（double helix） double helix（二重らせん） を開き、各鎖の短いヌクレオチド区間を露出させる（オープン複合体＝結合DNAが無傷かつ部分的に巻き戻された状態）
3. 対合synapsis 対合（synapsis）synapsis（対合） していないDNA領域（約10ヌクレオチド）は転写バブルtranscription bubble転写バブル（transcription bubble）transcription bubble（転写バブル）と呼ばれ、露出した一本鎖の一方に結合するσ因子によって安定化される——もう一方の露出鎖が、取り込まれるリボヌクレオチド ribonucleotide リボヌクレオチド（ribonucleotide） ribonucleotide（リボヌクレオチド） との相補的塩基対合 base pairing 塩基対合（base pairing） base pairing（塩基対合） の鋳型として機能する
4. 新生RNAの最初のヌクレオチドが合成されると、σサブユニットが解離し、ポリメラーゼがプロモーターを離れる
5. この時点でポリメラーゼはDNAに沿って移動を開始し、段階的にRNAを合成する——ヌクレオチドが1つ付加されるごとに1塩基対 base pairing 塩基対（base pairing） base pairing（塩基対） 前進する（伸長、鎖伸長はアポ酵素 apoenzyme アポ酵素（apoenzyme） apoenzyme（アポ酵素） により継続される）

💡 σの解離は「最初のヌクレオチドが入った瞬間」に一斉に起こるのではなく、確率的stochastic (vs. deterministic) 確率的（stochastic (vs. deterministic)）stochastic (vs. deterministic)（確率的） に起こる。 大腸菌の生体内 in vivo 生体内（in vivo） in vivo（生体内） 解析では、σ70は伸長中のコア酵素 core enzyme コア酵素（core enzyme） core enzyme（コア酵素） としばらく一緒に移動したうえで、半減期およそ4〜7秒で確率的 stochastic (vs. deterministic) 確率的（stochastic (vs. deterministic)） stochastic (vs. deterministic)（確率的） に放出される（σS・σ32はσ70よりも速く外れる）。急速増殖細胞ではEσ70の約70%がrrnオペロンの転写に従事しており、少なくとも約70%のホロ酵素 holoenzyme ホロ酵素（holoenzyme） holoenzyme（ホロ酵素） が伸長の途中でσ70を手放す計算になる²。上の手順4（最初のヌクレオチド合成後に解離）と後述の全体像の手順5（約10ヌクレオチド合成後に解離）が食い違って見えるのは、σの放出が特定の1点で決まるイベントではなく確率過程だからである——放出されたσは新たなコア酵素 core enzyme コア酵素（core enzyme） core enzyme（コア酵素） と結合し直す（σサイクル）。

転写の終結

転写ターミネーターtranscription terminator 転写ターミネーター（transcription terminator）transcription terminator（転写ターミネーター） は、ゲノムDNA中で遺伝子/オペロンの終わりを示す核酸配列 nucleic acid sequence 核酸配列（nucleic acid sequence） nucleic acid sequence（核酸配列） 区間である。この配列は新生mRNA中にシグナルを提供することで転写終結を媒介し、mRNAを転写複合体から遊離させる過程を引き起こす。

原核生物における終結は2クラスに分類される（タンパク質因子＝ρ、ロー）：

ρ非依存性終結

転写ターミネーターtranscription terminator 転写ターミネーター（transcription terminator）transcription terminator（転写ターミネーター） は伸長中の転写産物にGCに富むヘアピン構造hairpin structureヘアピン構造（hairpin structure）hairpin structure（ヘアピン構造）の形成を要求し、これがmRNA-DNA-RNAポリメラーゼ複合体の崩壊をもたらす。ヘアピン形成がRNAポリメラーゼを不安定化させ、複合体の解離を導く。

終結の段階：

1. ある領域が自己相補的配列を持つRNA転写産物を産生し、RNA鎖の予定終端の15〜20ヌクレオチド手前を中心にヘアピン構造 hairpin structure ヘアピン構造（hairpin structure） hairpin structure（ヘアピン構造） の形成を可能にする
2. RNAポリメラーゼがDNA上の「A（アデニンadenineアデニン（adenine）adenine（アデニン））」豊富配列を転写→RNA上に「U（ウラシルuracilウラシル（uracil）uracil（ウラシル））」豊富配列が生成される
3. ヘアピンはアデニン adenine アデニン（adenine） adenine（アデニン） が転写された後にRNAポリメラーゼを一時停止させる
4. 成長するヘアピンが、緩い（A:U）DNA-RNAハイブリッド hybrid ハイブリッド（hybrid） hybrid（ハイブリッド） らせんからRNA鎖を引き抜く→転写終結

ρ依存性終結

ρ依存性ターミネーターは、mRNA-DNA-RNAポリメラーゼ転写複合体を崩壊させるRNAヘリカーゼ helicase ヘリカーゼ（helicase） helicase（ヘリカーゼ） 活性を持つRho因子（ρ）というタンパク質を要求する。ターミネーターは鋳型鎖に反復Aヌクレオチド配列を持たないが、通常rut（ρ利用、ρ utilization）要素と呼ばれるCA豊富配列を含む。rutはmRNAの装着部位、およびRhoの活性化因子として機能する——活性化されたRhoはATPを加水分解しmRNAに沿って移動する。

終結の段階：

1. ヘリカーゼhelicase ヘリカーゼ（helicase）helicase（ヘリカーゼ） であるRho因子がrut部位からmRNAに沿って5′→3′に移動し、RNAポリメラーゼを追跡する
2. ポーズ部位（一時停止部位）でポリメラーゼが停止し、Rho因子が追いつく（ρ依存性ターミネーターはρ非依存性と違ってGCリッチヘアピンを必須としない）
3. Rho因子がRNA鎖のループを引き込みながらDNA-RNAハイブリッド hybrid ハイブリッド（hybrid） hybrid（ハイブリッド） を分離し、伸長複合体を崩壊させる

⚠️ この「追いかけっこ」モデルは2010年以降修正されている。 終結にコミットしたRho分子は転写サイクルを通じてRNAポリメラーゼと会合しており、初期の結合に新生転写産物を必要としない（RNAポリメラーゼ-Rho複合体の形成そのものが終結に必須である）。Rho依存性終結は①伸長複合体の急速な不活性化（trap）②比較的ゆっくりした解離、という2段階からなり、律速段階rate-limiting step 律速段階（rate-limiting step）rate-limiting step（律速段階） である不活性化のほうが終結部位の位置を決めている。この不活性化はRNAポリメラーゼ触媒中心 catalytic center 触媒中心（catalytic center） catalytic center（触媒中心） の可動性ドメインであるトリガーループのアロステリック allosteric アロステリック（allosteric） allosteric（アロステリック） な再配置を介しており、ρ非依存性（内因性）終結とも共通する機構である³。

原核生物転写の全体像

1. RNAポリメラーゼホロ酵素 holoenzyme ホロ酵素（holoenzyme） holoenzyme（ホロ酵素） （コア酵素core enzyme コア酵素（core enzyme）core enzyme（コア酵素） ＋σ因子）が組み立てられ、プロモーターDNA配列を見つける
2. ポリメラーゼが転写開始 transcription initiation 転写開始（transcription initiation） transcription initiation（転写開始） 位置でDNAを開く（巻き戻す）
3. 初期RNA合成（流産開始、abortive initiation）は比較的非効率で、短く非生産的な転写産物が放出されることが多い
4. RNAポリメラーゼが約10ヌクレオチドのRNAを合成すると、プロモーターDNAとの相互作用を断つ
5. 最終的にσ因子が解離し、ポリメラーゼがDNAをきつく締め付け伸長モードへ移行、DNAに沿って移動する 6-7. 伸長モードでは転写は高い進行性を持ち、ポリメラーゼは終結シグナルに出会うまでDNA鋳型を離れず新生RNAも放出しない
6. 終結シグナルは通常DNAにコードされ、多くはRNAヘアピン様構造を形成することでポリメラーゼのRNA保持を不安定化させる機能を持つ

⭐ 細菌では、全てのRNA分子が単一種類のRNAポリメラーゼによって合成される——真核生物のRNAポリメラーゼI・II・IIIへの分化（14-structure-of-the-eukaryotic-genes-initiation-and-termination-of-transcription-in参照）とは対照的である。

まとめ

• RNAポリメラーゼはプライマー不要・5′→3′方向にリボヌクレオチド ribonucleotide リボヌクレオチド（ribonucleotide） ribonucleotide（リボヌクレオチド） を連結し、開始したポリメラーゼ分子自身が解離せずにRNA鎖を完成させる（進行性＝プロセッシブ）という点でDNAポリメラーゼと異なる。
• 細菌RNAポリメラーゼはα₂ββ′ω（コア/アポ酵素apoenzymeアポ酵素（apoenzyme）apoenzyme（アポ酵素）、伸長を担当。ωは組み立てを促進し真核生物RPB6と相同）とσ因子（ホロ酵素holoenzyme ホロ酵素（holoenzyme）holoenzyme（ホロ酵素） 化、プロモーター認識を担当）からなり、σの結合はDNA全体への親和性を1000倍下げる代わりにプロモーター特異性を与える。
• 転写開始transcription initiation 転写開始（transcription initiation）transcription initiation（転写開始） はクローズド複合体→オープン複合体（転写バブルtranscription bubble 転写バブル（transcription bubble）transcription bubble（転写バブル） 形成）→σ因子解離→伸長という順序で進み、-10（TATAAT）・-35（TTGACA）配列の保存度がプロモーターの強弱を決める。σの解離は確率的 stochastic (vs. deterministic) 確率的（stochastic (vs. deterministic)） stochastic (vs. deterministic)（確率的） で、半減期4〜7秒程度をかけて伸長の途中で起こる。
• 転写終結はGCリッチヘアピンによるρ非依存性終結と、Rho因子（RNAヘリカーゼ helicase ヘリカーゼ（helicase） helicase（ヘリカーゼ） 活性）によるρ依存性終結の2経路があり、いずれもRNAポリメラーゼ複合体の物理的崩壊を引き起こす——Rhoは伸長複合体を追いかけるのではなく初めからポリメラーゼに会合しており、トリガーループのアロステリック allosteric アロステリック（allosteric） allosteric（アロステリック） な再配置を介して複合体を不活性化する。