反終結

分子生物学では、抗終結とは、 RNAの転写中に起こる未熟な終結を修正するための原核細胞の補助です。これは、RNA ポリメラーゼが終結シグナルを無視し、2 番目のシグナルに達するまで転写産物を伸長し続ける場合に発生します。抗終結は、ポリメラーゼが終結シグナルを認識するか認識しないかに応じて、オペロンの末端にある 1 つ以上の遺伝子をオンまたはオフに切り替えることができるメカニズムを提供します。

抗終結は、一部のファージによって、遺伝子発現の 1 つの段階から次の段階への進行を制御するために使用されます。ラムダ遺伝子 N は、RNA ポリメラーゼが前初期遺伝子の末端にあるターミネーターを読み取るために必要な抗終結タンパク質 (pN) をコードします。別の抗終結タンパク質 pQ は、ファージ感染の後半で必要になります。pN と pQ は、RNA ポリメラーゼが特定の部位を通過するときに作用します。これらの部位は、それぞれの転写ユニット内の異なる相対位置にあります。

抗終結はバクテリオファージ感染で発見されました。ファージ感染の制御における共通の特徴は、細菌宿主RNAポリメラーゼによって転写されるファージ遺伝子がごくわずかであることです。しかし、これらの遺伝子の中には、次のファージ遺伝子セットの発現を可能にする産物である調節因子があります。これらのタイプの調節因子の1つは、抗終結タンパク質です。抗終結タンパク質がない場合、RNAポリメラーゼはターミネーターで終結します。抗終結タンパク質が存在する場合、RNAポリメラーゼはターミネーターを超えて継続します。^[1]

抗終結の最も特徴的な例は、この現象が発見されたラムダファージです。これは、ファージ発現の 2 つの段階で使用されます。各段階で生成される抗終結タンパク質は、その段階で発現される特定の転写単位に特異的です。

宿主 RNA ポリメラーゼは、最初に 2 つの遺伝子を転写します。これらは前初期遺伝子 (N と cro) と呼ばれます。次の段階の発現への移行は、前初期遺伝子の末端での終結を防ぐことによって制御され、その結果、遅延初期遺伝子が発現されます。抗終結タンパク質 pN は、前初期転写ユニットに特異的に作用します。感染の後に、別の抗終結タンパク質 pQ が後期転写ユニットに特異的に作用し、終結シーケンスを超えて転写が継続できるようにします。

pN と pQ の異なる特異性により、重要な一般原則が確立されます。つまり、RNA ポリメラーゼは、補助因子が特定の転写産物に対して抗終結を促進できるように転写単位と相互作用します。終結は、開始と同じ精度で制御できます。

pN の抗終結活性は非常に特異的ですが、抗終結イベントはターミネーター t _L1および t _R1によって決定されるわけではありません。抗終結に必要な認識部位は転写ユニットの上流、つまり最終的に作用が達成されるターミネーター部位とは異なる場所にあります。

pN 作用に必要な認識部位はnut (N 利用) と呼ばれます。左方向および右方向の抗終結を決定する部位は、それぞれnut _Lおよびnut _Gと呼ばれます。

pN がnut site を認識すると、多数の E. coli 宿主タンパク質と協力して永続的な抗終結複合体を形成する。これらには、3 つの宿主 Nus タンパク質、NusA、B、および C が含まれる。NusA は興味深いタンパク質である。E. coliでは、NusA は単独では転写終結システムの一部である。しかし、N に利用されると、抗終結に関与する。複合体は RNA ポリメラーゼに作用して、酵素がターミネーターに反応できないようにする必要がある。nut site の位置が可変であることから、このイベントは開始にも終結にも関連付けられていないが、RNA ポリメラーゼが RNA 鎖をnut site を越えて伸長させるときに発生する可能性があることがわかる。ラムダに関連するファージは、異なる N 遺伝子と異なる抗終結特異性を持つ。nut site が存在するファージゲノム上の領域は、これらのファージごとに異なる配列を持つため、各ファージは自身の pN によって特異的に認識される特徴的なnut siteを持つ必要がある。これらの各 pN 産物は、抗終結能力において転写装置と相互作用する同じ一般的な能力を持っている必要がありますが、各産物はメカニズムを活性化する DNA 配列に対して異なる特異性も持っています。

ラムダにおける抗終結は、2 つの全く異なるメカニズムによって誘導される。1 つ目は、ラムダ N タンパク質と初期ファージ転写産物におけるその標的との相互作用の結果であり、2 つ目は、ラムダ Q タンパク質と後期ファージプロモーターにおけるその標的との相互作用の結果である。まず、N メカニズムについて説明する。RNA 結合タンパク質のアルギニンリッチモチーフ (ARM) ファミリーの小さな基本タンパク質であるラムダ N は、BOXB と呼ばれる 15ヌクレオチド(nt) のステムループに結合します。(RNA の部位名は大文字で表記し、対応する DNA 配列名は斜体で表記します。たとえば、BOXB およびboxB ) 。boxBはラムダ染色体に 2 つ、つまり 2 つの初期オペロンに 1 つずつ存在します。これは P _Lオペロン転写産物の開始点に近く、P _Rオペロンの最初の翻訳遺伝子のすぐ下流にあります。転写開始部位とboxBの間の距離、プロモーターの性質（少なくともシグマ70依存性プロモーターの場合）、ターミネーターの性質は、Nの作用とは関係ありません。boxB配列はラムダファミリーの他のバクテリオファージではよく保存されていませんが、これらのファージのほとんどはラムダNに類似したタンパク質をコードし、P L およびP R オペロンにBOXBのような構造を形成できる配列を持っています。場合によっては_、これら_の構造が同族のN類似体によって認識されることが示されています。これがN媒介抗終結のファージ特異性を説明すると考えられています。^[2]

プロセッシブ抗終結には、完全な抗終結複合体が必要である。コア複合体への NusB、S10、および NusG の組み立てには、ラムダ BOXA (CGCUCUUACACA) の nt 2 ～ 7 と、RNAP と相互作用する N のカルボキシル末端領域が関与する。N 抗終結反応における NusG の役割は明らかではない。NusG は終結因子 Rho および RNAP に結合し、転写伸長速度を刺激し、特定の Rho 依存性ターミネーターの活性に必要である。NusG は完全な抗終結複合体の構成要素であり、in vitro で N 抗終結を強化する。しかし、ラムダ BOXA を BOXA コンセンサス (CGCUCUUUAACA) と呼ばれる変異体に変化させることで、NusB および S10 は NusG がなくても組み立てられるようになる。さらに、NusG の枯渇は生体内でのラムダ N 抗終結には影響を及ぼさず、nusA、nusB、nusE とは異なり、N 活性を阻害する nusG の点変異は分離されていません。NusG 相同遺伝子である RfaH は、大腸菌とチフス菌のいくつかの転写産物の伸長を促進します。RfaH と NusG が N 抗終結に重複している可能性はまだテストされていませんが、他のいくつかの機能では、2 つのタンパク質は互換性がありません。

プロセッシブな抗終結は、RNA およびタンパク質によって媒介される。既知のラムダファージの中で、大腸菌ファージHK022 だけがラムダ N の類似体をコードしていない。代わりに、 put (ポリメラーゼ利用) 部位と呼ばれる転写配列の直接作用によってファージの初期転写の抗終結を促進する。密接に関連した 2 つのput部位があり、1 つは P _Lオペロンに、もう 1 つは P _Rオペロンにあり、ラムダおよび他のラムダ関連物のnut配列の位置にほぼ対応している。put 部位は、 HK022 タンパク質がまったく存在しない場合に、シスで作用して下流ターミネーターのリードスルーを促進する。put転写物は、1 つの不対ヌクレオチドによって分離された 2 つのステムループを形成すると予測される。この予測は、変異研究および 1 本鎖および 2 本鎖特異的エンドリボヌクレアーゼによる切断に対する 2 つの RNAの感受性パターンによって裏付けられている。 RNA 構造は抗終結にとって極めて重要です。なぜなら、ステムでの塩基対形成を妨げる変異は機能を低下させ、これらの変異は塩基対形成を回復させる追加の変異によって抑制できるからです。ラムダ N および Q と同様に、PUT配列はポリメラーゼの一時停止を抑制し、精製された in vitro 転写システムで進行性抗終結を促進します。ラムダ N とは対照的に、ファージまたは補助的な細菌因子は必要ありません。PUT媒介抗終結をブロックすることが知られている唯一の変異は、RNAP ベータ サブユニットのシステインに富むアミノ近位ドメインにある高度に保存されたアミノ酸を変化させます。これらの変異を持つ株は HK022 の溶解性増殖をサポートできませんが、ラムダおよび他のラムダ関連株の溶解性増殖を含む、テストされた他のすべての点では正常です。これらの変異によってもたらされるファージ限定表現型は、転写伸長複合体内の新生PUT RNA と特異的に相互作用する RNAP-beta' のドメインを変更することを示唆していますが、この考えは直接検証されていません。推定されるPUT -RNAP 相互作用の安定性と、 PUTによって誘発される伸長複合体への変更の性質は不明です。

連続的抗終結はバクテリオファージで最初に発見されましたが、その後、細菌オペロンでも例が見つかりました。大腸菌 rrn オペロンは、ラムダboxAに密接に関連し、各オペロンの 16S および 23S 構造遺伝子のプロモーター近位に位置する部位に依存する抗終結メカニズムによって制御されます。rrn BOXA 部位の配列は、ラムダよりもバクテリオファージコンセンサスに類似しており、NusB-S10 に効率的に結合します。BOXB に類似したステムループ構造は BOXA 部位近位のプロモーターで見つかりますが、抗終結には必須ではありません。rrn BOXA 配列は、Rho 依存性ターミネーターに対して完全な抗終結活性を付与しますが、内因性ターミネーターに対しては付与しません。BOXA は、RNAP による転写伸長の速度も増加させます。BOXA の点変異は、未熟な転写終結を引き起こします。 NusB 枯渇実験で示されているように、rrn 抗終結には生体内で NusB が必要です。NusA は、BOXA を運ぶ rrn RNA 鎖の伸長速度を刺激します。nusA10 (Cs) 変異が rrn オペロンでの抗終結と転写伸長速度の両方を阻害するという観察によって、NusA の役割がさらに示唆されます。生体内での rrn 調節におけるその他の Nus 因子の役割は明らかではありません。in vitro では、rrnG の BOXA 配列で NusA、NusB、S10、および NusG を含む抗終結複合体が形成されますが、これらの成分だけでは抗終結には不十分です。細胞抽出物によって供給できる追加の因子が必要ですが、それらの正体は不明です。

• Krebs, JE, Goldstein, ES, Lewin, B., & Kilpatrick, ST (2010) 「抗終結は制御されたイベントである可能性がある」Lewin の必須遺伝子 (第 2 版、pp. 287–291)。マサチューセッツ州サドベリー: Jones and Bartlett Publishers
• ワイスバーグ、RA、ゴッテスマン、ME（1999）。プロセッシブアンチターミネーション。細菌学ジャーナル、181（2）、359-367

• アメリカ微生物学会細菌学ジャーナル
• Google ブックスの Lewin の必須遺伝子