減衰器（遺伝学）

遺伝学 において、減衰は細菌のオペロンの一部を制御するためのメカニズムであり、転写の早期終了をもたらします。多くの遺伝学入門書^[1]で使用されている減衰の標準的な例は、trpオペロンのリボソーム媒介減衰です。trpオペロンのリボソーム媒介減衰は、細菌では転写と翻訳が同時に進行するという事実に基づいています。減衰には、mRNAのリーダー配列に対応するDNAセグメントにある暫定的な停止シグナル（減衰器）が関与しています。減衰中、リボソームはmRNAリーダーの減衰器領域で停止（遅延）します。代謝条件に応じて、減衰器はその時点で転写を停止するか、mRNAの構造遺伝子部分へのリードスルーと適切なタンパク質の合成を可能にします。

減衰は、古細菌と細菌全体に見られる調節機能であり、転写の早期終結を引き起こします。^[2]減衰器は、転写の成功を決定する2つの代替RNA構造の1つに折り畳まれる5'-シス作用調節領域です。^[3]折り畳みは、Rho非依存性ターミネーターを生成する感知機構によって調整され、転写が中断され機能しないRNA産物が生じるか、または抗ターミネーター構造が生成され、機能的なRNA転写産物が生じます。現在では、ヘアピンループ構造にシャイン・ダルガルノ配列（リボソーム結合部位）を隔離することにより、転写ではなく翻訳が終結される同等の例が多数あります。これらは、以前の（転写）減衰の定​​義を満たしていませんが、現在では同じ現象のバリエーションであると考えられており^[3]、この記事に含まれています。減衰は古くからある調節システムであり、多くの細菌種に広く普及しており、遺伝子オペロンの迅速かつ高感度な調節を提供し、遺伝子自身の産物（または下流の代謝物）の存在下で遺伝子を抑制するためによく使用されます。^[3]

減衰因子は、RNA構造の変化を引き起こす分子の種類によって分類される。転写減衰機構は、おそらく古細菌と細菌の分離以前に早くから発達し、その後、さまざまな感知分子を使用するように進化したと考えられる（トリプトファン生合成オペロンは、異なる生物で3つの異なる機構を使用することがわかっている）。^[2]

この状況では、RNAポリメラーゼは（遅れる）リボソームの活性に依存します。リボソームが不十分な荷電tRNAのために停止すると、抗ターミネーター構造が優先されます。trpオペロンの標準的な減衰器の例は、大腸菌でこのメカニズムを使用しています。同様の制御メカニズムは、多くのアミノ酸生合成オペロンで発見されています。^{[4] [5]}

リボスイッチ配列（mRNAリーダー転写産物内）は、アミノ酸、ヌクレオチド、糖、ビタミン、金属イオン、その他の小さなリガンド^[3]などの分子と結合し、mRNAの構造変化を引き起こします。これらの減衰因子のほとんどは阻害性であり、生合成酵素またはトランスポーターの遺伝子によって使用され^[3]、その発現は対応する代謝物の濃度と反比例します。例：コバラミン生合成、サイクリックAMP-GMPスイッチ、リシン生合成、グリシン生合成、フルオライドスイッチなど。

これらの要素は特定の非荷電tRNAに結合し、対応するアミノアシルtRNA合成酵素オペロンの発現を調節します。^[2]非荷電tRNAのレベルが高いと、抗ターミネーター配列が促進され、荷電tRNAの濃度が高まります。これらは、リボスイッチの別のファミリーであると考える人もいますが^[6]、以前のクラスの減衰剤よりもはるかに複雑です。

タンパク質-RNA相互作用は、抗ターミネーター構造の形成を阻止または安定化させる可能性がある。^[2] .. カリマ・エリックの発見

温度依存性ループ形成は、下流オペロンの発現に温度依存性を導入する。このような要素はすべて、シャイン・ダルガルノ配列のアクセシビリティを制御することによって翻訳依存的に作用し、例えば、一部の細菌が宿主に入ると病原性アイランドが発現する。^{[3] [7]最近のデータは、}大腸菌のコールドショックタンパク質の上流に温度依存性の代替二次構造（Rho非依存性ターミネーターを含む）が存在することを予測している。^[3]

減衰は、チャールズ・ヤノフスキーによって大腸菌のtrpオペロンで初めて観察されました。^[8]最初の観察は、2つの別々の科学的事実に関連していました。trp R（リプレッサー）遺伝子をノックアウトする突然変異でも、trpオペロンの調節がいくらか見られました（これらの突然変異体はトリプトファンによって完全には誘導/抑制されませんでした）。trpオペロン調節の全範囲は約700倍（オン/オフ）です。trpリプレッサーがノックアウトされた場合でも、trpの有無によって約10倍の調節が得られました。trpオペロンの開始部分の配列が決定されたとき、トリプトファン生合成酵素の既知の構造遺伝子のORFの直前に、異常なオープンリーディングフレーム（ORF）が見られました。以下に示す一般的な構造情報は、trpオペロンの配列から観察されました。

まず、ヤノフスキーは、ORF に 2 つのタンデム Trp コドンが含まれており、タンパク質の Trp パーセント構成が通常の約 10 倍であることを観察しました。次に、この領域の mRNA には、相互に排他的な 2 つの二次構造を形成できる 2 重対称領域が含まれていました。構造の 1 つは、rho 非依存転写終了シグナルとまったく同じでした。もう 1 つの二次構造が形成されると、この二次構造の形成が妨げられ、ターミネーターが形成されなくなります。このもう 1 つの構造は、「プリエンプター」と呼ばれます。

一例として、細菌のtrp遺伝子が挙げられます。この領域に高レベルのトリプトファンが存在する場合、細菌がそれ以上合成するのは非効率的です。RNAポリメラーゼがtrp遺伝子に結合して転写すると、リボソームが翻訳を開始します。(これは、翻訳が始まる前に RNA が核から出なければならない真核細胞とは異なります。) mRNA リーダー配列 (5' UTR ) と trp オペロン遺伝子配列の間に位置するアテニュエーター配列には 4 つのドメインが含まれており、ドメイン 3 はドメイン 2 またはドメイン 4 と対になることができます。

ドメイン 1 のアテニュエーター配列には、トリプトファンを必要とするペプチド合成の指示が含まれています。トリプトファンのレベルが高いと、リボソームはアテニュエーター配列ドメイン 1 と 2 を翻訳できるようになり、ドメイン 3 と 4 はヘアピン構造を形成し、trp オペロンの転写が終了します。タンパク質コード遺伝子はrho 非依存的終結により転写されないため、トリプトファンは合成されません。

対照的に、トリプトファンのレベルが低いと、リボソームはドメイン 1 で停止し、ドメイン 2 と 3 は転写の終了を知らせない別のヘアピン構造を形成します。したがって、オペロンの残りの部分は転写および翻訳され、トリプトファンが生成されます。したがって、ドメイン 4 は減衰器です。ドメイン 4 がなければ、トリプトファンのレベルに関係なく翻訳を続行できます。^[9]減衰器配列のコドンはリーダーペプチドに翻訳されますが、trp オペロン遺伝子配列の一部ではありません。減衰器により、減衰器配列ドメインがループ構造を形成する時間が長くなりますが、後のトリプトファン合成で使用されるタンパク質は生成されません。

減衰は、trp オペロンにおける負のフィードバックの 2 番目のメカニズムです。TrpRリプレッサーは転写を 70 分の 1 に減らしますが、減衰によって転写をさらに 10 分の 1 に減らすことができるため、約 700 倍の蓄積抑制が可能になります。減衰は、原核生物 (核を持たない) では、RNA ポリメラーゼが DNA 配列を転写している間にリボソームが mRNA の翻訳を開始するという事実によって可能になります。これにより、翻訳プロセスがオペロンの転写に直接影響を及ぼします。

trp オペロンの転写された遺伝子の先頭には、リーダー転写 (trpL) と呼ばれる 140 ヌクレオチドの配列があります。この転写には、1 ～ 4 で指定された 4 つの短い配列が含まれます。配列 1 は配列 2 と部分的に相補的であり、配列 2 は配列 3 と部分的に相補的であり、配列 3 は配列 4 と部分的に相補的です。したがって、1 ～ 2、2 ～ 3、または 3 ～ 4 の 3 つの異なる二次構造 (ヘアピン) を形成できます。1 ～ 2 構造を形成するための鎖 1 と 2 のハイブリダイゼーションは 2 ～ 3 構造の形成を防ぎ、2 ～ 3 の形成は 3 ～ 4 の形成を防ぎます。3 ～ 4 構造は転写終結配列であり、これが形成されると RNA ポリメラーゼは DNA から解離し、オペロンの構造遺伝子の転写は行われません。

リーダー転写産物の一部は、リーダーペプチドと呼ばれる 14 個のアミノ酸からなる短いポリペプチドをコードします。このペプチドには、2 つの隣接するトリプトファン残基が含まれていますが、これは珍しいことです。なぜなら、トリプトファンはかなり珍しいアミノ酸だからです (典型的な大腸菌タンパク質の 100 残基のうち約 1 つがトリプトファンです)。細胞内のトリプトファン レベルが低いときにリボソームがこのペプチドを翻訳しようとすると、2 つの trp コドンのいずれかで停止します。停止している間、リボソームは転写産物のシーケンス 1 を物理的に保護し、1-2 二次構造の形成を防止します。次に、シーケンス 2 はシーケンス 3 と自由にハイブリダイズして 2-3 構造を形成し、3-4 終結ヘアピンの形成を防止します。RNA ポリメラーゼは、オペロン全体の転写を自由に続行できます。細胞内のトリプトファン レベルが高い場合、リボソームはリーダー ペプチド全体を中断することなく翻訳し、翻訳終結時に停止コドンでのみ停止します。この時点で、リボソームは配列 1 と 2 の両方を物理的に保護します。したがって、配列 3 と 4 は自由に 3-4 構造を形成し、転写を終了します。その結果、オペロンはリボソームにトリプトファンが利用できない場合にのみ転写され、trpL 転写物は恒常的に発現されます。

リボソームがリーダー転写産物の合成直後に結合して翻訳を開始することを保証するために、trpL 配列には一時停止部位が存在します。この部位に到達すると、RNA ポリメラーゼは転写を一時停止し、翻訳の開始を待機するようです。このメカニズムにより、転写と翻訳の同期が可能になり、減衰の重要な要素となります。

同様の減衰メカニズムがヒスチジン、フェニルアラニン、トレオニンの合成を制御します。

この mRNA の二次構造と trp リーダーペプチドが trp 生合成酵素の転写を制御するメカニズムとして提案されているものは次のとおりです。

• RNAP は trp プロモーターの転写を開始します。
• RNAP は、二次構造（上に示した最初の構造）の約 90 番目のヌクレオチドで停止します。
• リボソームはこの新生 mRNA と結合し、リーダーペプチドの翻訳を開始します。
  • その後、RNAP は一時停止から「解放」され、転写を続行します。
• RNAP が潜在的なターミネーターの領域に到達したとき、それが継続するかどうかは、後ろに続くリボソームの位置に依存します。
  • リボソームがタンデム Trp コドンで停止し、適切な tRNA を待つ場合、領域 1 はリボソーム内に隔離され、領域 2 と塩基対を形成できません。つまり、領域 2 と 3 は、領域 4 が転写される前に塩基対を形成します。これにより、領域 4 は一本鎖にされ、領域 3/4 ターミネーター構造の形成が防止されます。その後、転写が続行されます。
  • リボソームがリーダーペプチドをためらうことなく翻訳すると、領域 2 の一部を覆い、領域 3 との塩基対形成を防止します。次に、領域 4 が転写されると、領域 3 とステムおよびループを形成して転写が終了し、約 140 塩基の転写産物が生成されます。
• この制御メカニズムは、利用可能な荷電 Trp-tRNA の量を測定します。

リボソームの位置によって、どの代替二次構造が形成されるかが決まります。

生合成オペロンにおける遺伝子発現を制御するこのタイプのメカニズムの発見により、これまでリプレッサーが発見されていなかったさまざまなオペロンでそのメカニズムが特定されました。例:

trpオペロン（および他のいくつかのアミノ酸生合成オペロン）のメカニズムのように、転写が進行中に翻訳を伴う減衰メカニズムは真核生物では機能しないが、真核生物における減衰の証拠がある。^[10] microRNAの処理に関する研究は真核生物の減衰の証拠を提供している。Drosha 5'->3'エキソヌクレアーゼによる共転写エンドヌクレオリティック切断後、XRN2は魚雷メカニズムによってさらなる転写を終了させる可能性がある。

• 遺伝子 VI 374–380 ページ
• M. Ballarino、「結合RNA処理と遺伝子間一次マイクロRNAの転写」、MOLECULAR AND CELLULAR BIOLOGY、2009年10月、p. 5632–5638