真核生物における転写調節（EM学生のみ）

🧠 真核生物の転写調節 transcriptional regulation 転写調節（transcriptional regulation） transcriptional regulation（転写調節） は「転写因子→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） →RNAポリメラーゼII RNA polymerase IIRNAポリメラーゼII（RNA polymerase II） RNA polymerase II（RNAポリメラーゼII）」という情報の中継システムである。ヌクレオソームnucleosome ヌクレオソーム（nucleosome）nucleosome（ヌクレオソーム） に梱包されたDNAではTATAボックス TATA box TATAボックス（TATA box） TATA box（TATAボックス） が隠されているため、活性化因子/抑制因子repressor 抑制因子（repressor）repressor（抑制因子） だけでは直接ポリメラーゼに情報を伝えられず、メディエーターという「通訳」が必要になる。さらに共活性化因子 co-activator 共活性化因子（co-activator） co-activator（共活性化因子） （ヒストンアセチル化histone acetylation ヒストンアセチル化（histone acetylation）histone acetylation（ヒストンアセチル化） ＝開く）と共抑制因子 co-repressor 共抑制因子（co-repressor） co-repressor（共抑制因子） （ヒストン脱アセチル化 deacetylation 脱アセチル化（deacetylation） deacetylation（脱アセチル化） ＝閉じる）というヒストン修飾 histone modification ヒストン修飾（histone modification） histone modification（ヒストン修飾） の綱引きが、この全ての土台となるクロマチンの開閉 gating 開閉（gating） gating（開閉） 状態を決定している。

転写因子とメディエーター複合体

転写はRNAポリメラーゼによって行われるが、この酵素は転写産物を作るために他のタンパク質を必要とする。これらの因子は①RNAポリメラーゼに直接会合するもの、②実際の転写装置の構築に加わるものに分けられる。これら関連タンパク質の総称を転写因子という。

転写因子： 近傍DNAへの結合により特定遺伝子を「オン」または「オフ」にするタンパク質。

TF結合部位の集合体はエンハンサーenhancerエンハンサー（enhancer）enhancer（エンハンサー）/サイレンサーsilencerサイレンサー（silencer）silencer（サイレンサー）と呼ばれる。TFは細胞が論理演算を行い、異なる情報源を統合して遺伝子を発現させるか「決定」することを可能にする。

メディエーター複合体

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） に梱包され、さらに高次 higher order 高次（higher order） higher order（高次） のクロマチン構造に組織化されている＝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 TATA box TATAボックス（TATA box） TATA box（TATAボックス） は梱包DNA内に非常によく隠されている。そのため、RNAポリメラーゼIIRNA polymerase II RNAポリメラーゼII（RNA polymerase II）RNA polymerase II（RNAポリメラーゼII） と一般TFだけでは活性化因子に応答できない——RNAポリメラーゼII RNA polymerase II RNAポリメラーゼII（RNA polymerase II） RNA polymerase II（RNAポリメラーゼII） が活性化因子に応答できるようにするメディエーターを必要とする。

• RNAポリメラーゼIIRNA polymerase II RNAポリメラーゼII（RNA polymerase II）RNA polymerase II（RNAポリメラーゼII） 転写産物（大部分のタンパク質コード・非コードRNAnon-coding RNA 非コードRNA（non-coding RNA）non-coding RNA（非コードRNA） 遺伝子を含む）の発現調節に必要な多サブユニット複合体。ヒトでは26サブユニット・1.4 MDa、これが4.0 MDaの転写前開始複合体 pre-initiation complex (PIC) 前開始複合体（pre-initiation complex (PIC)） pre-initiation complex (PIC)（前開始複合体） に組み込まれる¹
• 大きなタンパク質複合体で、活性化因子タンパク質がRNAポリメラーゼII RNA polymerase II RNAポリメラーゼII（RNA polymerase II） RNA polymerase II（RNAポリメラーゼII） および一般TFと適切に通信できるようにし、転写開始transcription initiation 転写開始（transcription initiation）transcription initiation（転写開始） を可能にする

⚠️ メディエーターは「エンハンサーenhancer エンハンサー（enhancer）enhancer（エンハンサー） DNAに結合する」のではない。 メディエーター自身には配列特異的なDNA結合活性がなく、エンハンサーenhancer エンハンサー（enhancer）enhancer（エンハンサー） に結合した転写因子（活性化因子）に呼び集められて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）・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） と橋渡しをする。遠く離れたエンハンサー enhancer エンハンサー（enhancer） enhancer（エンハンサー） とプロモーターが機能的につながるのは、メディエーターと配列特異的転写因子 specific transcription factors 特異的転写因子（specific transcription factors） specific transcription factors（特異的転写因子） が分子凝縮体（転写ハブ hubハブ（hub） hub（ハブ））とクロマチンループを作るからである¹。

💡 相分離phase separation 相分離（phase separation）phase separation（相分離） （液-液相分離liquid-liquid phase separation (LLPS)液-液相分離（liquid-liquid phase separation (LLPS)）liquid-liquid phase separation (LLPS)（液-液相分離））による転写調節 transcriptional regulation 転写調節（transcriptional regulation） transcriptional regulation（転写調節） という層が2018年以降に加わった。 メディエーターの際立った特徴は天然変性領域intrinsically disordered region (IDR) 天然変性領域（intrinsically disordered region (IDR)）intrinsically disordered region (IDR)（天然変性領域） （IDR）に富み構造的に柔軟であることで、これが相分離 phase separation 相分離（phase separation） phase separation（相分離） を起こす能力と、多数の調節因子と相互作用する能力の両方の土台になっている¹。実際、細胞のアイデンティティを決める遺伝子の傍にあるエンハンサー enhancer エンハンサー（enhancer） enhancer（エンハンサー） の集合体＝スーパーエンハンサーsuper-enhancerスーパーエンハンサー（super-enhancer）super-enhancer（スーパーエンハンサー）では、共活性化因子co-activator共活性化因子（co-activator）co-activator（共活性化因子）BRD4とメディエーターサブユニットMED1が液滴様の性質を持つ核内フォーカス（凝縮体）を作り、凝縮体を壊す薬剤で消失する。BRD4とMED1のIDRだけでも相分離 phase separation 相分離（phase separation） phase separation（相分離） した液滴を形成し、MED1のIDR液滴は核抽出液から転写装置を取り込んで濃縮できる²。すなわち「活性化因子→メディエーター→ポリメラーゼ」という1対1のリレーだけでなく、転写装置が一箇所に濃縮された液滴を作るという描像が現在の理解に加わっている。

特異的転写因子

一般TFはRNAポリメラーゼのプロモーター上での適切な位置決め（前開始複合体pre-initiation complex (PIC)前開始複合体（pre-initiation complex (PIC)）pre-initiation complex (PIC)（前開始複合体））に必要である一方、特異的TFは転写プロセス process プロセス（process） process（プロセス） の調節（活性化/抑制）に関わるタンパク質である。

シス調節配列

近傍遺伝子の転写を調節する非コードDNA領域。CRE（シス調節因子cis regulatory elementシス調節因子（cis regulatory element）cis regulatory element（シス調節因子）、cis-regulatory element）は遺伝子近傍に存在しTF結合部位として機能する。多くは（必ずではないが）転写部位の上流に位置する。

トランス調節配列

離れた遺伝子の発現を調節しうる遺伝子。より具体的には、転写に必要な転写因子をコードするDNA配列（例：RNAポリメラーゼのサブユニット、TF装置など）。トランス作用因子の例：

1. RNAポリメラーゼのサブユニット
2. 開始複合体initiation complex 開始複合体（initiation complex）initiation complex（開始複合体） を安定化するためRNAポリメラーゼに結合するタンパク質
3. 特異的配列の全プロモーターに結合するがRNAには結合しないタンパク質（TF2D因子 complement factor DD因子（complement factor D） complement factor D（D因子））
4. 少数のプロモーターに結合し転写開始 transcription initiation 転写開始（transcription initiation） transcription initiation（転写開始） に必要なタンパク質（遺伝子発現の正の調節因子）

→ これらは基本的に転写開始 transcription initiation 転写開始（transcription initiation） transcription initiation（転写開始） に必要な全てのものである。

• 活性化因子はエンハンサー enhancer エンハンサー（enhancer） enhancer（エンハンサー） に結合するタンパク質（TF）→転写の活性化
• 抑制因子repressor抑制因子（repressor）repressor（抑制因子）はサイレンサー silencer サイレンサー（silencer） silencer（サイレンサー） に結合するタンパク質（TF）→転写の抑制

⭐ まとめると： シス調節因子cis regulatory element シス調節因子（cis regulatory element）cis regulatory element（シス調節因子） はTFの結合部位そのもの（結合により転写を促進/抑制しうる）、トランス調節因子trans-regulatory element トランス調節因子（trans-regulatory element）trans-regulatory element（トランス調節因子） はTFをコードするDNA配列である。

共活性化因子と共抑制因子

TF（活性化因子/抑制因子repressor抑制因子（repressor）repressor（抑制因子））に結合するタンパク質。共活性化因子co-activator共活性化因子（co-activator）co-activator（共活性化因子）・共抑制因子co-repressor 共抑制因子（co-repressor）co-repressor（共抑制因子） は同じTF結合部位を競合し、ヒストンとの相互作用を介して転写開始 transcription initiation 転写開始（transcription initiation） transcription initiation（転写開始） 速度に影響しうる。

共活性化因子co-activator 共活性化因子（co-activator）co-activator（共活性化因子） ：

• DNA結合ドメインを持つ活性化因子（TF）に結合することで遺伝子発現を増加させるタンパク質
• RNAポリメラーゼホロ酵素 holoenzyme ホロ酵素（holoenzyme） holoenzyme（ホロ酵素） の形成を安定化し、プロモーターからのより速いクリアランスを可能にすることで転写開始 transcription initiation 転写開始（transcription initiation） transcription initiation（転写開始） を促進しうる
• 一部の共活性化因子 co-activator 共活性化因子（co-activator） co-activator（共活性化因子） は内因性のヒストンアセチル基転移酵素histone acetyltransferase (HAT) ヒストンアセチル基転移酵素（histone acetyltransferase (HAT)）histone acetyltransferase (HAT)（ヒストンアセチル基転移酵素） 活性を持ち、ヒストンをアセチル化する→クロマチンが弛緩し、DNAへのアクセスが増加する（開いた遺伝子）

共抑制因子co-repressor 共抑制因子（co-repressor）co-repressor（共抑制因子） ：

• 抑制因子repressor 抑制因子（repressor）repressor（抑制因子） （TF）に結合・活性化することで遺伝子発現を阻害するタンパク質
• 抑制因子repressor 抑制因子（repressor）repressor（抑制因子） は遺伝子プロモーター（調節対象遺伝子に隣接するDNA配列）に結合しその遺伝子の転写を妨げる
• ヒストン脱アセチル化酵素histone deacetylase, HDACヒストン脱アセチル化酵素（histone deacetylase, HDAC）histone deacetylase, HDAC（ヒストン脱アセチル化酵素）を動員することでも転写開始 transcription initiation 転写開始（transcription initiation） transcription initiation（転写開始） を抑制しうる——リジン残基からアセチル基 acetyl group アセチル基（acetyl group） acetyl group（アセチル基） を除去する反応を触媒し、ヒストンの正電荷を増加させ、正電荷ヒストンと負電荷DNA間の静電引力 attractive force 引力（attractive force） attractive force（引力） を強める→DNAのアクセス性が低下する（閉じた遺伝子）

クロマチンリモデリング（遺伝子が開く過程の説明）

クロマチン構造の動的な修飾により、凝縮したゲノムDNAへの調節転写装置タンパク質のアクセスが可能になる→遺伝子発現の制御。このリモデリングは2つの様式で行われる：

1) 特異的酵素による共有結合的ヒストン修飾（ヒストンアセチル基転移酵素、HAT）

• ヒストンオクタマー octamer オクタマー（octamer） octamer（オクタマー） （8タンパク質複合体）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） コア粒子の中心にあり、4種のコアヒストン core histone コアヒストン（core histone） core histone（コアヒストン） タンパク質（H2A、H2B、H3、H4）それぞれ2コピーからなる
• 各ヒストンはN末端テール N-terminal tail N末端テール（N-terminal tail） N-terminal tail（N末端テール） とC末端ヒストンフォールドを持つ。全ヒストンのN末端は主にリジン・アルギニンarginine (Arg) アルギニン（arginine (Arg)）arginine (Arg)（アルギニン） 残基からなる高度に正電荷を帯びた領域である
• 一般に、活性な遺伝子は結合ヒストンが少なく、不活性な遺伝子は間期 interphase 間期（interphase） interphase（間期） を通じてヒストンと強く会合している
• アセチル基転移酵素acetyltransferase アセチル基転移酵素（acetyltransferase）acetyltransferase（アセチル基転移酵素） ： アセチル基acetyl group アセチル基（acetyl group）acetyl group（アセチル基） の付加はリジンの正電荷を中和するという大きな化学的効果を持つ。これによりヒストンと負電荷DNA骨格間の静電引力 attractive force 引力（attractive force） attractive force（引力） が減弱する→クロマチン構造の弛緩

2) ATP依存性クロマチンリモデリング

• ヌクレオソームnucleosome ヌクレオソーム（nucleosome）nucleosome（ヌクレオソーム） の移動・排除・再構成のいずれかにより遺伝子発現を調節する
• これらのタンパク質複合体は共通のATPaseドメインを持つ
• ATP加水分解由来のエネルギーにより、複合体は以下が可能になる：
  • DNAに沿ったヌクレオソーム nucleosome ヌクレオソーム（nucleosome） nucleosome（ヌクレオソーム） の再配置（スライドslideスライド（slide）slide（スライド）/ねじれ/ループ）
  • ヒストンをDNAから排除
  • ヒストンバリアントの交換の促進 → 遺伝子活性化のためのヌクレオソーム nucleosome ヌクレオソーム（nucleosome） nucleosome（ヌクレオソーム） 欠乏（よりヒストンに乏しい）領域を作り出す

flowchart TD
  A["遺伝子活性化タンパク質が<span class='jp-term jp-term-diagram' title='enhancer'>エンハンサー</span>に結合"] --> B["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='histone chaperone'>ヒストンシャペロン</span>がヒストンを一時除去"]
  B --> C["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='histone modification'>ヒストン修飾</span>酵素が特異的な修飾パターンを付加（アセチル化・リン酸化等）"]
  C --> D["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='histone code'>ヒストンコード</span>が<span class='jp-term jp-term-diagram' title='chromatin remodeling'>クロマチンリモデリング</span>複合体・TFIIDを誘引"]
  D --> E["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='general transcription factor'>一般転写因子</span>・メディエーター・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='RNA polymerase II'>RNAポリメラーゼII</span>が組み立て"]
  E --> F["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='transcription initiation'>転写開始</span>"]

まとめ

• 真核生物の転写因子は一般TF（プロモーターへのポリメラーゼ位置決め）と特異的TF（活性化/抑制の調節）に分かれ、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） （ヒトで26サブユニット・1.4 MDa）が梱包されたDNA中の活性化因子とRNAポリメラーゼII RNA polymerase II RNAポリメラーゼII（RNA polymerase II） RNA polymerase II（RNAポリメラーゼII） の間の情報伝達 signal transduction 情報伝達（signal transduction） signal transduction（情報伝達） を仲介 mediate 仲介（mediate） mediate（仲介） する——メディエーター自身はDNAに配列特異的に結合せず、活性化因子に呼ばれて橋渡しをする。
• シス調節因子cis regulatory element シス調節因子（cis regulatory element）cis regulatory element（シス調節因子） （エンハンサーenhancerエンハンサー（enhancer）enhancer（エンハンサー）・サイレンサーsilencerサイレンサー（silencer）silencer（サイレンサー））はTFの結合部位そのものであり、トランス調節因子trans-regulatory element トランス調節因子（trans-regulatory element）trans-regulatory element（トランス調節因子） はTFをコードするDNA配列である——この区別が調節の全体構造を整理する鍵となる。
• 共活性化因子co-activator 共活性化因子（co-activator）co-activator（共活性化因子） はHAT（ヒストンアセチル基転移酵素histone acetyltransferase (HAT)ヒストンアセチル基転移酵素（histone acetyltransferase (HAT)）histone acetyltransferase (HAT)（ヒストンアセチル基転移酵素））活性によりヒストンをアセチル化しクロマチンを開き、共抑制因子co-repressor 共抑制因子（co-repressor）co-repressor（共抑制因子） はHDACを動員してヒストンを脱アセチル化 deacetylation 脱アセチル化（deacetylation） deacetylation（脱アセチル化） しクロマチンを閉じる——この綱引きが遺伝子のオン/オフを決定する。
• 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） は共有結合的ヒストン修飾 histone modification ヒストン修飾（histone modification） histone modification（ヒストン修飾） とATP依存性ヌクレオソーム nucleosome ヌクレオソーム（nucleosome） nucleosome（ヌクレオソーム） 再配置の2経路で進み、いずれも凝縮DNAへの転写装置のアクセスを可能にする。
• 上の3層（TF・メディエーター・クロマチン）に加え、相分離phase separation 相分離（phase separation）phase separation（相分離） による凝縮体（転写ハブ hubハブ（hub） hub（ハブ））という空間的な層がある——スーパーエンハンサー super-enhancer スーパーエンハンサー（super-enhancer） super-enhancer（スーパーエンハンサー） 上でBRD4・MED1が液滴様の凝縮体を作り、転写装置を一箇所に濃縮する。エンハンサーenhancer エンハンサー（enhancer）enhancer（エンハンサー） とプロモーターの遠隔連絡はクロマチンループと凝縮体の両方によって成立する。