RNAポリメラーゼ

DNA指向性RNAポリメラーゼ
RNAポリメラーゼヘテロ27mer、ヒト
識別子
EC番号	2.7.7.6
CAS番号	9014-24-8
データベース
インテンズ	IntEnzビュー
ブレンダ	BRENDAエントリー
エクスパス	NiceZyme ビュー
ケッグ	KEGGエントリー
メタサイク	代謝経路
プリアモス	プロフィール
PDB構造	RCSB PDB PDBe PDBsum
遺伝子オントロジー	アミゴー / クイックゴー
検索 個人管理委員会 記事 出版元 記事 国立情報学研究所 タンパク質

分子生物学において、RNA ポリメラーゼ(略称 RNAPまたは RNApol )、より具体的にはDNA 指向性/依存性 RNA ポリメラーゼ( DdRP ) は、DNAテンプレートからRNA を合成する化学反応を触媒する酵素です。

RNAP はヘリカーゼという酵素を使って二本鎖 DNA を局所的に開き、露出したヌクレオチドの 1 本鎖をRNA 合成のテンプレートとして使用できるようにします。このプロセスは転写と呼ばれます。転写因子とそれに関連する転写メディエーター複合体は、RNAP がその位置で DNA の巻き戻しを開始する前に、プロモーター領域と呼ばれるDNA 結合部位に結合する必要があります。RNAP は RNA 転写を開始するだけでなく、ヌクレオチドを所定の位置に導き、結合と伸長を促進し、固有の校正および置換機能と終結認識機能を備えています。真核生物では、RNAP は 240 万ヌクレオチドもの鎖を構築できます。

RNAP は、機能的にはタンパク質コード用、つまりメッセンジャー RNA (mRNA) または非コード用(いわゆる「RNA 遺伝子」) の RNA を生成します。RNA 遺伝子の 4 つの機能タイプの例は次のとおりです。

転移RNA（tRNA）

翻訳中にタンパク質合成のリボソーム部位で成長中のポリペプチド鎖に特定のアミノ酸を転移します。

リボソームRNA (rRNA)

リボソームに組み込まれます。

マイクロRNA（miRNA）

遺伝子活性を調節し、RNAサイレンシング

触媒RNA（リボザイム）

酵素活性RNA分子として機能します。

RNAポリメラーゼは生命に必須であり、すべての生物と多くのウイルスに見られます。生物に応じて、RNAポリメラーゼはタンパク質複合体（マルチサブユニットRNAP）の場合もあれば、1つのサブユニットのみ（シングルサブユニットRNAP、ssRNAP）で構成される場合もあり、それぞれが独立した系統を表しています。前者は細菌、古細菌、真核生物に同様に見られ、同様のコア構造とメカニズムを共有しています。^[1]後者はファージだけでなく真核生物の葉緑体とミトコンドリアにも見られ、現代のDNAポリメラーゼに関連しています。^[2]真核生物と古細菌のRNAPは細菌のものよりも多くのサブユニットを持ち、異なる方法で制御されています。

細菌と古細菌には RNA ポリメラーゼが 1 つしかありません。真核生物には複数の種類の核 RNAP があり、それぞれが異なる RNA のサブセットの合成を担っています。

2006年のノーベル化学賞は、転写過程のさまざまな段階におけるRNAポリメラーゼの詳細な分子画像を作成したロジャー・D・コーンバーグに授与されました。 ^{[3] [4]}

ほとんどの原核生物では、単一のRNAポリメラーゼ種があらゆる種類のRNAを転写する。大腸菌のRNAポリメラーゼ「コア」は、5つのサブユニットから構成される。36kDaの2つのアルファ（α）サブユニット 、150kDaのベータ（β）サブユニット、155kDaのベータプライムサブユニット（β′）、および小さなオメガ（ω）サブユニットである。シグマ（σ）因子がコアに結合してホロ酵素を形成する。転写が始まると、因子は解離し、コア酵素がその働きを続行できるようにする。^{[5] [6]}コアRNAポリメラーゼ複合体は、「カニの爪」または「クランプジョー」構造を形成し、その全長に沿って内部チャネルが走る。^[7]真核生物と古細菌のRNAポリメラーゼは、多くの追加サブユニットがあるものの、同様のコア構造を持ち、同様に機能する。^[8]

すべてのRNAPには金属補因子、特に転写プロセスを助ける亜鉛とマグネシウムの陽イオンが含まれています。 ^{[9] [10]}

遺伝子転写の過程を制御すると遺伝子発現のパターンが影響を受け、細胞は変化する環境に適応し、生物内で特殊な役割を果たし、生存に必要な基本的な代謝プロセスを維持できるようになります。したがって、RNAPの活動が長く複雑で、高度に制御されていることは驚くべきことではありません。大腸菌では、 RNAPの活動を変化させる100以上の転写因子が特定されています。^[11]

RNAP は、プロモーターと呼ばれる特定の DNA 配列で転写を開始できます。次に、テンプレート DNA 鎖と相補的なRNA 鎖を生成します。ヌクレオチドをRNA 鎖に追加するプロセスは伸長と呼ばれ、真核生物では、RNAP は 240 万ヌクレオチド(ジストロフィン遺伝子の全長)までの長さの鎖を構築できます。RNAP は、遺伝子の末端にコード化された特定の DNA 配列(ターミネーター) で優先的に RNA 転写物を放出します。

RNAP の製品には以下が含まれます。

• メッセンジャーRNA（mRNA）—リボソームによるタンパク質合成のテンプレート。
• 非コード RNAまたは「RNA 遺伝子」は、タンパク質に翻訳されない RNA をコードする遺伝子の広範なクラスです。RNA 遺伝子の最も顕著な例は、トランスファー RNA (tRNA) とリボソーム RNA (rRNA) で、どちらも翻訳プロセスに関与しています。しかし、1990 年代後半以降、多くの新しい RNA 遺伝子が発見されており、RNA 遺伝子はこれまで考えられていたよりもはるかに重要な役割を果たしている可能性があります。
  • 転移RNA（tRNA）—翻訳中にタンパク質合成のリボソーム部位で成長中のポリペプチド鎖に特定のアミノ酸を転移する
  • リボソームRNA（rRNA）—リボソームの構成要素
  • マイクロRNA —遺伝子の活動を調節する
  • 触媒RNA（リボザイム）—酵素活性RNA分子

RNAP はde novo合成を実行します。これが可能なのは、開始ヌクレオチドとの特定の相互作用により RNAP がしっかりと固定され、次に来るヌクレオチドに対する化学攻撃が容易になるためです。このような特定の相互作用により、RNAP は転写を ATP (続いて GTP、UTP、CTP) から開始することを好む理由が説明されます。DNAポリメラーゼとは対照的に、RNAP にはヘリカーゼ活性があるため、DNA をほどくために別の酵素は必要ありません。

細菌におけるRNAポリメラーゼの結合には、-35および-10要素（転写される配列の開始前に位置する）を含むコアプロモーター領域を認識するシグマ因子と、一部のプロモーターではプロモーター上流要素を認識するαサブユニットC末端ドメインが関与する。 ^[12]複数の交換可能なシグマ因子があり、それぞれが異なるプロモーターセットを認識する。例えば、大腸菌では、σ70^は通常の条件下で発現し、通常条件下で必要な遺伝子（「ハウスキーピング遺伝子」）のプロモーターを認識するが、σ32^は高温で必要な遺伝子（「ヒートショック遺伝子」）のプロモーターを認識する。古細菌および真核生物では、細菌の一般的な転写因子シグマの機能は、連携して働く複数の一般的な転写因子によって実行される。RNAポリメラーゼプロモーター閉鎖複合体は、通常「転写開始前複合体」と呼ばれる。^{[13] [14]}

DNA に結合した後、RNA ポリメラーゼは閉じた複合体から開いた複合体に切り替わります。この変化は DNA 鎖の分離を伴い、約 13 bp の DNA の巻き戻された部分を形成します。これは「転写バブル」と呼ばれます。 スーパーコイルはDNA の巻き戻しと巻き戻しのため、ポリメラーゼの活動において重要な役割を果たします。RNAP の前の DNA 領域は巻き戻されるため、補償的な正のスーパーコイルが存在します。RNAP の後ろの領域は巻き戻され、負のスーパーコイルが存在します。^[14]

RNA ポリメラーゼはその後、ワトソン・クリック塩基対形成相互作用に従ってリボヌクレオチドがテンプレート DNA 鎖と塩基対合した、最初の DNA-RNA ヘテロ二重鎖の合成を開始します。前述のように、RNA ポリメラーゼはプロモーター領域と接触します。しかし、これらの安定化接触は、酵素が下流の DNA にアクセスする能力を阻害し、したがって全長生成物の合成を阻害します。RNA 合成を継続するには、RNA ポリメラーゼはプロモーターから逃れなければなりません。プロモーターとの接触を維持しながら、より多くの下流 DNA を合成のためにほどき、より多くの下流 DNA を開始複合体に「押し込む」必要があります。 ^[15]プロモーター脱出遷移中、RNA ポリメラーゼは「ストレスを受けた中間体」と見なされます。熱力学的には、ストレスは DNA のほどきと DNA 圧縮の活動から蓄積されます。DNA-RNA ヘテロ二重鎖が十分に長くなると (約 10 bp)、RNA ポリメラーゼは上流との接触を解放し、プロモーター脱出遷移を効果的に達成して伸長段階に入ります。活性中心のヘテロ二本鎖は伸長複合体を安定化します。

しかし、プロモーターからの脱出だけが結果ではありません。RNAポリメラーゼは、下流の接触を解放して転写を停止することでストレスを軽減することもできます。一時停止した転写複合体には、2つの選択肢があります。(1)新生転写物を解放してプロモーターで新たに開始するか、(2)RNAポリメラーゼの触媒活性を介して活性部位の新生転写物に新しい3'-OHを再確立し、DNAスクランチを再開してプロモーター脱出を達成します。プロモーター脱出遷移前のRNAポリメラーゼの非生産的なサイクリングである不完全開始は、不完全転写と呼ばれるプロセスで約9bpの短いRNAフラグメントをもたらします。不完全開始の程度は、転写因子の存在とプロモーター接触の強さによって異なります。^[16]

17 bp の転写複合体には 8 bp の DNA-RNA ハイブリッドがあり、つまり 8 塩基対が DNA テンプレート鎖に結合した RNA 転写物に関与しています。^[17]転写が進むにつれて、リボヌクレオチドが RNA 転写物の 3' 末端に追加され、RNAP 複合体が DNA に沿って移動します。原核生物と真核生物の特徴的な伸長速度は約 10～100 nts/秒です。^[18]

RNAP のアスパルチル ( asp ) 残基は Mg ²⁺イオンを保持し、これがリボヌクレオチドのリン酸と配位します。最初の Mg ^{2+ は、}追加される NTP の α リン酸を保持します。これにより、RNA 転写産物の 3'-OH の求核攻撃が可能になり、鎖に別の NTP が追加されます。2 番目の Mg ^{2+ は}NTP のピロリン酸を保持します。^[19] 全体の反応式は次のとおりです。

(NMP) _n + NTP → (NMP) _n+1 + PP _i

DNAポリメラーゼの校正機構とは異なり、RNAPの校正機構はごく最近になって研究された。校正は、誤って組み込まれたヌクレオチドをDNAテンプレートから分離することから始まる。これにより転写が一時停止する。次にポリメラーゼは1つ前の位置に戻り、ミスマッチしたヌクレオチドを含むジヌクレオチドを切断する。RNAポリメラーゼでは、これは重合に使用されるのと同じ活性部位で起こるため、校正が別のヌクレアーゼ活性部位で起こるDNAポリメラーゼとは大きく異なる。^[20]

全体的なエラー率は10 ⁻⁴～ 10 ⁻⁶程度である。^[21]

細菌では、RNA転写の終結はrho依存的またはrho非依存的である。前者はrho因子に依存し、これがDNA-RNAヘテロ二本鎖を不安定化し、RNAの放出を引き起こす。^{[22]後者は}内因性終結としても知られ、DNAの回文領域に依存する。この領域を転写すると、RNA転写がループしてそれ自体に結合する「ヘアピン」構造が形成される。このヘアピン構造はGC塩基対に富んでいることが多く、DNA-RNAハイブリッド自体よりも安定している。その結果、転写複合体の8bp DNA-RNAハイブリッドは4bpハイブリッドに変化する。これらの最後の4塩基対は弱いAU塩基対であり、RNA転写物全体がDNAから剥がれる。^[23]

真核生物における転写終結は細菌ほどよく理解されていないが、新しい転写産物の切断とそれに続くテンプレート非依存的な3'末端へのアデニンの付加、いわゆるポリアデニル化と呼ばれるプロセスを伴う。^[24]

DNA ポリメラーゼと RNA ポリメラーゼはどちらもテンプレート依存のヌクレオチド重合を行うので、2 種類の酵素は構造的に関連していると考えられるかもしれません。しかし、両方のタイプの酵素のX 線結晶構造解析研究により、触媒部位に重要な Mg ²⁺イオンが含まれていること以外は、実質的に無関係であることが明らかになりました。実際、テンプレート依存のヌクレオチド重合酵素は、細胞の初期進化中に 2 回独立して発生したようです。1 つの系統は、現代の DNA ポリメラーゼと逆転写酵素、およびファージと細胞小器官からのいくつかの単一サブユニット RNA ポリメラーゼ (ssRNAP) につながりました。^[2]もう 1 つのマルチサブユニット RNAP 系統は、現代の細胞 RNA ポリメラーゼのすべてを形成しました。^{[25] [1]}

細菌では、同じ酵素がmRNAと非コード RNA (ncRNA)の合成を触媒します。

RNAPは大きな分子である。コア酵素は5つのサブユニット（約400 kDa）から構成される。^[26]

β′

β′サブユニットは最大のサブユニットであり、rpoC遺伝子によってコードされています。^[27] β′サブユニットには、RNA合成を担う活性中心の一部が含まれており、DNAや新生RNAとの非配列特異的相互作用の決定因子の一部が含まれています。シアノバクテリアと葉緑体では2つのサブユニットに分割されています。^[28]

β

β サブユニットは 2 番目に大きいサブユニットで、rpoB遺伝子によってコード化されています。β サブユニットには、RNA 合成を担う活性中心の残りの部分と、DNA および新生 RNA との非配列特異的相互作用の残りの決定因子が含まれています。

α (α ^Iと α ^II )

3 番目に大きいサブユニットである α サブユニットの 2 つのコピーが、RNAP 分子内に存在します。α ^Iと α ^II (1 つと 2 つ) です。各 α サブユニットには、αNTD (N 末端ドメイン) と αCTD (C 末端ドメイン) の 2 つのドメインが含まれます。αNTD には、RNAP の組み立ての決定因子が含まれます。αCTD (C 末端ドメイン) には、プロモーター DNA との相互作用の決定因子が含まれ、ほとんどのプロモーターでは非配列非特異的相互作用、上流要素を含むプロモーターでは配列特異的相互作用が行われます。また、調節因子との相互作用の決定因子が含まれます。

ω

ωサブユニットは最小のサブユニットである。ωサブユニットはRNAPの組み立てを促進し、組み立てられたRNAPを安定化させる。^[29]

プロモーターに結合するために、RNAP コアは転写開始因子シグマ(σ) と結合して RNA ポリメラーゼ ホロ酵素を形成します。シグマは非特異的 DNA に対する RNAP の親和性を低減し、プロモーターに対する特異性を高めて、正しい部位で転写を開始できるようにします。したがって、完全なホロ酵素には 6 つのサブユニット、β′βα ^Iと α ^II ωσ (~450 kDa) があります。

真核生物には複数の種類の核RNAPがあり、それぞれが異なるRNAのサブセットの合成を担っています。これらはすべて、互いに、また細菌RNAPと構造的、機構的に関連しています。

真核生物の葉緑体には、複数のサブユニットからなるRNAP（「PEP、プラスチドエンコードポリメラーゼ」）が含まれています。細菌由来であるため、PEPの構成は現在の細菌RNAポリメラーゼと似ています。プラストーム上のRPOA、RPOB、RPOC1、RPOC2遺伝子によってエンコードされており、タンパク質としてPEPのコアサブユニットを形成し、それぞれα、β、β′、β″と名付けられています。^[35]大腸菌のRNAポリメラーゼと同様に、PEPはプロモーターの認識に、-10モチーフと-35モチーフを含むシグマ（σ）因子の存在を必要とします。^[36]植物小器官と細菌のRNAポリメラーゼとその構造には多くの共通点がありますが、PEPはさらに、植物のPEP複合体と密接に関連する必須成分を形成する、PAP（PEP関連タンパク質）と呼ばれる核エンコードタンパク質のいくつかの関連を必要とします。当初は生化学的手法により10種類のPAPからなるグループが特定され、後に12種類のPAPに拡大された。^{[37] [38]}

葉緑体には、構造的にも機構的にも無関係な、2つ目の単一サブユニットRNAP（「核コード化ポリメラーゼ、NEP」）も含まれています。真核生物のミトコンドリアは、核コード化単一サブユニットRNAPであるPOLRMT （ヒト）を使用します。 ^[2]このようなファージ様ポリメラーゼは、植物ではRpoTと呼ばれます。^[39]

古細菌は、すべてのRNAの合成を担う単一のタイプのRNAPを持っています。古細菌のRNAPは、細菌のRNAPや真核生物の核RNAP IVと構造的にもメカニズム的にも類似しており、特に真核生物の核RNAP IIと構造的にもメカニズム的にも密接に関連しています。^{[8] [40]} 古細菌のRNAポリメラーゼの発見の歴史はごく最近です。古細菌のRNAPの最初の分析は、1971年に高度好塩菌 Halobacterium cutirubrumからRNAPが分離・精製されたときに行われました。^[41] Sulfolobus solfataricusとSulfolobus shibataeのRNAPの結晶構造から、特定された古細菌のサブユニットの総数は13であることが分かりました。^{[8] [42]}

古細菌は、真核生物のRpb1に対応するサブユニットを2つに分割しています。S . shibatae複合体には真核生物のRpb9（ POLR2I）の相同体はありませんが、類似性に基づいてTFS（TFIIS相同体）が相同体として提案されています。Rpo13と呼ばれる追加のサブユニットがあり、Rpo5とともに、細菌のβ′サブユニット（Taqの1,377〜1,420 ）に見られる挿入によって満たされた空間を占めています。^[8] S. solfataricusの構造に関する以前の低解像度の研究では、Rpo13は見つからず、その空間はRpo5/Rpb5に割り当てられました。Rpo3は、鉄硫黄タンパク質であるという点で注目に値します。一部の真核生物で見つかったRNAP I/IIIサブユニットAC40は同様の配列を共有していますが、^[42]鉄は結合しません。^[43]どちらの場合も、このドメインは構造機能を果たします。^[44]

古細菌RNAPサブユニットは、以前は「RpoX」という命名法を使用していました。この命名法では、各サブユニットに他のシステムとは無関係な方法で文字が割り当てられていました。^[1] 2009年に、真核生物のPol IIサブユニット「Rpb」の番号付けに基づく新しい命名法が提案されました。^[8]

オルソポックスウイルスやその他の核質性大型 DNA ウイルスは、ウイルスにコードされた多サブユニット RNAP を使用して RNA を合成します。これらは真核生物の RNAP に最も類似していますが、一部のサブユニットは縮小または削除されています。^[45]これらがどの RNAP に最も類似しているかは議論の的となっています。^[46] RNA を合成する他のほとんどのウイルスは、無関係なメカニズムを使用しています。

多くのウイルスは、構造的および機構的に真核生物の葉緑体（RpoT）およびミトコンドリア（ POLRMT）の単一サブユニットRNAPに関連しており、より遠縁ではあるが、DNAポリメラーゼおよび逆転写酵素に関連する単一サブユニットRNAP（ssRNAP）を使用する。おそらく、最も広く研究されているそのような単一サブユニットRNAPは、バクテリオファージ T7 RNAポリメラーゼである。ssRNAPは校正ができない。^[2]

B. subtilis プロファージSPβ は、msRNAP の β+β′ サブユニットの相同体である YonO を使用して、通常の「右手」ssRNAP とは異なるモノマー (両方のバレルが同じ鎖上にある) RNAP を形成します。これはおそらく、最後の普遍的共通祖先の時代より前に、標準的な 5 ユニット msRNAP から分岐したものと思われます。^{[47] [48]}

他のウイルスはRNA依存性RNAP（DNAの代わりにRNAをテンプレートとして使用するRNAP）を使用する。これはマイナス鎖RNAウイルスとdsRNAウイルスで発生し、どちらもライフサイクルの一部では二本鎖RNAとして存在する。しかし、ポリオウイルスなどのプラス鎖RNAウイルスにもRNA依存性RNAPが含まれている。^[49]

RNAPは1960年にチャールズ・ロー、オードリー・スティーブンス、ジェラルド・ハーウィッツによって独立して発見されました。 ^{[50]この時までに、1959年の}ノーベル医学賞の半分は、RNAPと考えられていたものの発見に対してセベロ・オチョアに授与されていましたが、 ^{[51]実際には}ポリヌクレオチドホスホリラーゼであることが判明しました。

RNA ポリメラーゼは次の方法で分離できます。

• ホスホセルロースカラムによる^[52 ]
• グリセロール勾配遠心分離法による。^[53]
• DNAカラムによる。
• イオンクロマトグラフィーカラムによる。^[54]

また、上記のテクニックの組み合わせもあります。

• アルファアマニチン
• プリマゼ

ウィキメディア・コモンズには、 RNAポリメラーゼに関連するメディアがあります。

• DNAi – DNA Interactive、RNAポリメラーゼに関する情報とFlashクリップを含む。
• 米国国立医学図書館の医学件名標目(MeSH)における RNA+ポリメラーゼ
• EC2.7.7.6​
• RNAポリメラーゼ – DNAテンプレートからRNAを合成

( Wayback Machineコピー)

• EM データバンク (EMDB) の RNA ポリメラーゼの 3D 高分子構造