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一次転写産物とは、 DNAの転写によって合成される一本鎖リボ核酸（RNA）産物であり、処理を経てmRNA、tRNA、rRNAなどの様々な成熟RNA産物となる。mRNAとなる一次転写産物は、翻訳に備えて修飾される。例えば、前駆体mRNA（pre-mRNA）は、処理を経てメッセンジャーRNA（mRNA）となる一次転写産物の一種である。
プレmRNAは、細胞核内でDNAテンプレートから転写によって合成されます。プレmRNAは、ヘテロ核RNA（hnRNA）の大部分を占めます。プレmRNAが完全に処理されると、「成熟メッセンジャーRNA」、または単に「メッセンジャーRNA 」と呼ばれます。hnRNAという用語は、プレmRNAの同義語としてよく用いられますが、厳密には、hnRNAには細胞質mRNAにならなかった核RNA転写産物も含まれる場合があります。
一次転写産物の生成にはいくつかの段階があります。これらの段階はすべて、真核生物の核内でDNAの転写を開始および完了させるための一連の相互作用を伴います。特定の因子は転写の活性化と阻害において重要な役割を果たし、一次転写産物の生成を制御します。転写によって生成された一次転写産物は、いくつかのプロセスによってさらに修飾されます。これらのプロセスには、5'キャップ、3'ポリアデニル化、および選択的スプライシングが含まれます。特に、選択的スプライシングは細胞内に存在するmRNAの多様性に直接的に寄与します。一次転写産物の修飾は、これらの転写産物の役割と重要性に関するより深い知識を求める研究においてさらに研究されてきました。一次転写産物の分子変化と転写前後のプロセスに基づいた実験的研究は、一次転写産物が関与する疾患の理解を深めることにつながっています。
一次転写産物の生成に寄与するステップには、細胞核内でDNAの転写を開始する一連の分子間相互作用が含まれます。特定の細胞のニーズに基づいて、特定のDNA配列が転写され、細胞で使用される機能的なタンパク質に翻訳されるさまざまなRNA産物が生成されます。細胞核内で転写プロセスを開始するには、DNA二重らせんがほどかれ、DNAの適合する核酸を連結する水素結合が切断されて、2本の連結していない一本鎖DNAが生成されます。 [ 1 ] DNAテンプレートの一方の鎖は、一本鎖一次転写産物mRNAの転写に使用されます。このDNA鎖は、DNAのプロモーター領域でRNAポリメラーゼによって結合されます。 [ 2 ]
真核生物では、3 種類の RNA (rRNA、tRNA、mRNA) が 3 種類の異なる RNA ポリメラーゼの活性に基づいて生成されますが、原核生物では、すべての種類の RNA 分子を生成する RNA ポリメラーゼは 1 つだけです。[ 3 ]真核生物の RNA ポリメラーゼ II は、mRNA に処理される予定の転写産物である一次転写産物を、アンチセンスDNA テンプレートから 5' から 3' の方向に転写し、この新しく合成された一次転写産物は DNA のアンチセンス鎖と相補的です。 [ 1 ] RNA ポリメラーゼ II は、成長中の mRNA の 3' 末端の 3' ヒドロキシル基に連続的に付加される 4 つの特定のリボヌクレオシド一リン酸残基 (アデノシン一リン酸(AMP)、シチジン一リン酸(CMP)、グアノシン一リン酸(GMP)、ウリジン一リン酸(UMP)) のセットを使用して一次転写産物を構築します。[ 1 ]
RNAポリメラーゼIIによって生成される一次転写産物の研究によると、平均的な一次転写産物の長さは7,000ヌクレオチドで、中には20,000ヌクレオチドにもなるものがあることが明らかになっています。[ 2 ]一次転写産物にエクソンとイントロンの両方の配列が含まれていることが、より大きな一次転写産物と、タンパク質への翻訳準備が整ったより小さな成熟mRNAとのサイズの違いを説明しています。
転写の活性化と阻害には多くの要因が関与しており、それによって特定のDNAテンプレートからの一次転写産物の生成が調節される。
RNAポリメラーゼ活性の活性化による一次転写産物の生成は、エンハンサー と呼ばれるDNA配列によって制御されることが多い。転写因子は、DNA要素に結合して転写を活性化または抑制するタンパク質であり、エンハンサーに結合してヌクレオソーム構成要素を変化させる酵素をリクルートし、RNAポリメラーゼがDNAにアクセスしやすくしたり、アクセスしにくくしたりする。エンハンサーDNA領域に結合する活性化または阻害転写因子の固有の組み合わせによって、エンハンサーが相互作用する遺伝子が転写のために活性化されるかどうかが決まる。[ 4 ]転写の活性化は、それ自体がさまざまな転写因子から構成される転写伸長複合体が、RNAポリメラーゼをエンハンサー領域とプロモーターをつなぐメディエーター複合体から解離させることができるかどうかに依存する。 [ 4 ]
RNAポリメラーゼ活性の阻害は、サイレンサーと呼ばれるDNA配列によっても制御される。エンハンサーと同様に、サイレンサーは制御する遺伝子よりも上流または下流に位置することがある。これらのDNA配列は、RNAポリメラーゼを活性化するために必要な開始複合体の不安定化に寄与する因子に結合し、その結果、転写を阻害する。[ 5 ]
転写因子によるヒストン修飾は、RNAポリメラーゼによる転写のもう1つの重要な調節因子である。一般的に、ヒストンアセチル化を誘導する因子は転写を活性化し、ヒストン脱アセチル化を誘導する因子は転写を阻害する。[ 6 ]ヒストンのアセチル化は、ヌクレオソーム内の負の成分間の反発を誘発し、RNAポリメラーゼのアクセスを可能にする。ヒストンの脱アセチル化は、密に巻かれたヌクレオソームを安定化させ、RNAポリメラーゼのアクセスを阻害する。ヒストンのアセチル化パターンに加えて、DNAのプロモーター領域のメチル化パターンも、特定のテンプレートへのRNAポリメラーゼのアクセスを調節することができる。標的遺伝子のプロモーター領域に特定のメチル化シトシン（転写活性化因子の結合を阻害し、他の酵素をリクルートして密に結合したヌクレオソーム構造を安定化させ、RNAポリメラーゼのアクセスを排除し、一次転写産物の生成を阻害する残基）が含まれている場合、RNAポリメラーゼは一次転写産物を合成できないことが多い。[ 4 ]
Rループは転写中に形成される。Rループは、DNA-RNAハイブリッド領域とそれに付随する非鋳型一本鎖DNAを含む3本鎖核酸構造である。活発に転写されているDNA領域は、しばしばDNA損傷を受けやすいRループを形成する。イントロンは、酵母の高発現遺伝子におけるRループ形成とDNA損傷を軽減する。[ 7 ]
DNA損傷は毎日各細胞で発生し、各細胞における損傷の数は数万から数十万に達し、このようなDNA損傷は一次転写を阻害する可能性がある。[ 8 ]遺伝子発現 のプロセス自体が、一本鎖DNAの損傷に対する感受性に起因する内因性DNA損傷の原因である。[ 8 ] DNA損傷の他の原因としては、一次転写機構とDNA複製機構の衝突、およびトポイソメラーゼや塩基除去修復酵素などの特定の酵素の活性が挙げられる。これらのプロセスは厳密に制御されており、通常は正確であるが、時折ミスが発生し、染色体再編成や細胞死を引き起こすDNA切断を残すことがある。[ 8 ]
遺伝子発現の高度に制御された段階である転写は、一次転写産物を生成します。しかし、転写は最初のステップにすぎず、その後、機能的なRNA形態を生み出すための多くの修飾が続きます。[ 9 ]言い換えれば、新たに合成された一次転写産物は、さまざまな方法で修飾され、成熟した機能的な形態に変換されて、mRNA、tRNA、rRNAなどのさまざまなタンパク質やRNAを生成します。
基本的な一次転写産物の修飾プロセスは、真核細胞と原核細胞の両方でtRNAとrRNAで類似しています。一方、一次転写産物の処理は、原核細胞と真核細胞のmRNAで異なります。[ 9 ]例えば、一部の原核細菌mRNAは、転写によって生成されると同時にタンパク質合成のテンプレートとして機能します。一方、真核細胞のpre-mRNAは、核から細胞質に輸送され、そこで成熟した形態が翻訳される前に、広範囲にわたる修飾を受けます。[ 9 ]これらの修飾は、さまざまな種類の産物の翻訳につながるさまざまな種類のエンコードされたメッセージの原因となっています。さらに、一次転写産物の処理は、遺伝子発現の制御とmRNAの分解速度の調節機構を提供します。真核細胞におけるpre-mRNAの処理には、5'キャッピング、3'ポリアデニル化、および選択的スプライシングが含まれます。
真核生物では転写が開始されるとすぐに、pre-mRNAの5'末端に7-メチルグアノシンキャップ（5'キャップとも呼ばれる）が付加される。[ 9 ] 5'キャッピング修飾は、pre-mRNAの5'末端ヌクレオチドにGTPが逆向きに付加され、続いてG残基にメチル基が付加されることで開始される。[ 9 ] 5'キャッピングは、翻訳中にmRNAをリボソームに整列させる役割を担うため、機能的なmRNAの生成に不可欠である。[ 9 ]
真核生物では、ポリアデニル化によってプレmRNAがさらに修飾され、その過程でポリAテールと呼ばれる構造が付加される。[ 9 ]ポリアデニル化のシグナルは、いくつかのRNA配列要素を含み、ポリAテール（長さ約200ヌクレオチド）の付加を知らせるタンパク質群によって検出される。ポリアデニル化反応は転写終了のシグナルとなり、この反応はポリAテールの位置から数百ヌクレオチド下流で終了する。[ 9 ]
真核生物のpre-mRNAは、小さな核リボ核タンパク質からなるスプライソソームによってイントロンがスプライシング除去される。[ 10 ] [ 11 ]
複雑な真核細胞では、選択的スプライシングによって、1つの主要な転写産物から大量の成熟mRNAが生成される。選択的スプライシングは、それぞれの成熟mRNAが複数のタンパク質をコードすることができるように調節されている。
遺伝子発現における選択的スプライシングの効果は、ゲノム内の遺伝子の数が固定されているにもかかわらず、はるかに多くの異なる遺伝子産物を生成する複雑な真核生物で見ることができます。[ 9 ]ほとんどの真核生物のpre-mRNA転写産物には、複数のイントロンとエクソンが含まれています。pre-mRNA内の5'および3'スプライス部位のさまざまな組み合わせにより、エクソンのさまざまな切除と組み合わせが起こり、成熟mRNAからイントロンが除去されます。したがって、さまざまな種類の成熟mRNAが生成されます。[ 9 ]選択的スプライシングは、スプライソソームと呼ばれる大きなタンパク質複合体で行われます。選択的スプライシングは、遺伝子発現における組織特異的および発生的調節に不可欠です。[ 9 ]選択的スプライシングは、染色体転座などの突然変異を含むさまざまな要因によって影響を受ける可能性があります。
原核生物では、スプライシングは自己触媒的切断またはエンドリシス的切断によって行われる。タンパク質が関与しない自己触媒的切断は通常、rRNAをコードする領域に用いられ、一方、エンドリシス的切断はtRNA前駆体に対応する。
メトトレキサート耐性KB細胞に5-フルオロウラシル（FUra）を投与すると、総ジヒドロ葉酸還元酵素（DHFR）mRNAレベルが2分の1に減少したが、特定のイントロンを含むDHFRプレmRNAレベルは影響を受けなかった。DHFR mRNAまたはプレmRNAの半減期は大きく変化しなかったが、DHFR RNAの核から細胞質への移行速度が低下したことから、FUraはmRNAプロセシングおよび/または核内DHFR mRNAの安定性に影響を与える可能性があることが示唆された。[ 12 ]
ショウジョウバエとネッタイシマカでは、両種とも同様のサイズと配列の複雑さを持つ成熟mRNAを産生するにもかかわらず、ゲノムサイズが大きいため、hnRNA（pre-mRNA）のサイズはネッタイシマカの方が大きかった。これは、hnRNAのサイズがゲノムサイズとともに増加することを示している。[ 13 ]
HeLa細胞では、pre-mRNA上のスプライソソーム群が核斑内に形成されることが発見され、この形成は温度依存的であり、特定のRNA配列の影響を受ける。pre-mRNAの標的化と斑点内のスプライシング因子のロードはスプライソソーム群の形成に重要であり、斑点模様が生じる。[ 14 ]
核斑にpre-mRNAをリクルートすると、スプライシング効率とタンパク質レベルが著しく増加し、斑点への近接がスプライシング効率を高めることが示された。[ 15 ]
研究により、一次転写産物の変化に関連する特定の疾患についての知識も深まりました。ある研究では、エストロゲン受容体と選択的スプライシングが取り上げられました。イタリア、ジェノバの国立がん研究所分子腫瘍学研究室のパオラ・フェロ、アレッサンドラ・フォルラーニ、マルコ・ムセッリ、ウルリッヒ・プフェファーによる「ヒトエストロゲン受容体α一次転写産物の選択的スプライシング：エクソンスキッピングのメカニズム」と題された論文では、エストロゲン受容体α（ER-α）をコードするDNA領域の1785ヌクレオチドが、一次転写産物の30万ヌクレオチドを超える領域に分散していることが説明されています。このプレmRNAのスプライシングにより、タンパク質をコードするために必要な1つ以上のエクソンまたは領域を欠く変異体または異なる種類のmRNAが頻繁に生じます。これらの変異体は、乳がんの進行と関連付けられています。[ 16 ]レトロウイルスのライフサイクルでは、プロウイルスDNAが感染細胞のDNAの転写に組み込まれます。レトロウイルスは、プレmRNAをDNAに変換して、このDNAが感染している宿主のDNAに組み込まれるようにする必要があるため、このDNAテンプレートの形成はレトロウイルスの複製にとって重要なステップです。細胞の種類、細胞の分化または変化した状態、および細胞の生理的状態は、転写に必要な特定の因子の利用可能性と活性に大きな変化をもたらします。これらの変数により、幅広いウイルス遺伝子発現が生じます。たとえば、鳥類白血病ウイルスまたはマウス白血病ウイルス（ ASLVまたはMLV）の感染性ビリオンを活発に産生する組織培養細胞には、非常に高いレベルのウイルスRNAが含まれており、細胞内のmRNAの5～10%がウイルス由来になる可能性があります。これは、これらのレトロウイルスによって産生される一次転写産物が、必ずしも通常のタンパク質産生経路をたどり、増殖および拡大するためにDNAに変換されるわけではないことを示しています。[ 17 ]
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