RNAポリメラーゼと転写開始

RNAポリメラーゼは、DNAを鋳型としてRNAを合成するDNA依存性酵素であり、転写開始は、酵素がプロモーターを特定し、DNAを巻き戻し、RNAの合成を開始する、律速段階である最初のフェーズです。開始はほとんどの調節が集中する場所であるため、ポリメラーゼの構造と、それが遺伝子に結合する段階は、遺伝子発現を理解する上で中心的な役割を果たします。

Definition

DNA依存性RNAポリメラーゼは、リボヌクレオシド三リン酸から鋳型指向性のRNA合成を触媒する酵素です。転写開始は、プロモーター結合から開複合体形成、最初のホスホジエステル結合の合成、そして伸長への脱出までの一連の段階を指します。

Scope

このトピックは、触媒作用を持つRNAポリメラーゼ酵素と開始の事象を扱います。具体的には、プロモーター認識（細菌ではシグマ因子を介して、真核生物では一般転写因子を介して）、開複合体形成、アボーティブ開始、および生産的な伸長へのプロモーター脱出が含まれます。酵素とその最初の結合段階をメカニズム的に扱い、臨床的ガイダンスではなく、参照・教育的な内容です。

Core questions

• RNAポリメラーゼはどのようにプロモーターを認識し、その活性部位を開始部位に配置するのでしょうか？
• 閉じたプロモーター複合体は、どのようにして転写可能な開いた複合体に変換されるのでしょうか？
• なぜプロモーター脱出は、独立した、しばしば律速段階となるステップなのでしょうか？

Key concepts

• コア酵素とホロ酵素
• シグマ因子（細菌）と一般転写因子（真核生物）
• 閉鎖型および開放型プロモーター複合体
• アボーティブ開始
• プロモーター脱出
• 活性部位における二金属イオン触媒作用

Mechanisms

開始は、RNAポリメラーゼが特異性因子に導かれてプロモーターDNAに結合し、閉複合体を形成することから始まります。その後、局所的な巻き戻しによって開複合体が生成され、活性部位のクレフトに鋳型鎖が露出します。酵素は、プロモーターから脱出し、開始因子を放出してプロセス伸長に入る前に、繰り返されるアボーティブサイクルで短いRNAを合成します。RNAポリメラーゼIIの高分解能構造は、これらの遷移の根底にある保存された活性部位アーキテクチャとクランプを示し、単一分子および新生RNAの研究により、開始因子保持と開始後のポーズが、開始から伸長への遷移の広範な特徴であることが明らかになりました。

Clinical relevance

RNAポリメラーゼは、臨床的に重要な抗生物質や毒素（例えば、細菌ポリメラーゼに作用する薬剤や、真核生物のPol IIに作用するアマトキシンなど）の標的であり、開始の異常は疾患遺伝子プログラムに寄与します。この項目は、酵素学を参照レベルで記述しており、治療に関するガイダンスを提供するものではありません。

History

真核生物が複数のDNA依存性RNAポリメラーゼを含むという発見（Roeder and Rutter, 1969）は、異なる遺伝子クラスの転写を開始する酵素を区別しました。2001年のCramer, Bushnell and KornbergによるRNAポリメラーゼIIの原子構造は、触媒機械のメカニズム的側面を明らかにし、ゲノムスケールの新生RNA法は後に、開始が動的で頻繁に停止する段階であることを再確認しました。

Key figures

• Robert G. Roeder
• Roger Kornberg
• Patrick Cramer
• Richard H. Ebright

Seminal works

• roeder-rutter-1969
• cramer-2001

Frequently asked questions

コア酵素とホロ酵素の違いは何ですか？

コア酵素はRNAを合成する触媒活性を持っていますが、ホロ酵素は開始特異性因子（細菌のシグマなど）を付加することで、プロモーターを認識し、正しい部位で転写を開始することができます。

なぜプロモーター脱出は独立したステップと見なされるのですか？

最初の短いRNAを合成した後、ポリメラーゼはプロモーターとの接触を断ち切り、プロセス伸長にコミットする前に、しばしばアボーティブな産物を放出して再合成するため、脱出は明確に調節された遷移段階です。