RNAポリメラーゼ

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位置より前に位置する）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^は通常条件下で発現し、通常条件下で必要とされる遺伝子（「ハウスキーピング遺伝子」）のプロモーターを認識する一方、σ32^は高温で必要とされる遺伝子（「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、細菌の一般転写因子シグマの機能は、協働する複数の一般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へと切り替わります。この変化には、DNA鎖の分離が伴い、約13 bpのほどけたDNA領域が形成されます。これは「転写バブル」と呼ばれます。DNAのほどけと巻き戻しのため、超らせん構造はポリメラーゼ活性において重要な役割を果たします。RNAPの前方のDNA領域はほどけているため、補償的な正の超らせん構造が存在します。RNAPの後方の領域は巻き戻されており、負の超らせん構造が存在します。^{[ 14 ]}

RNAポリメラーゼは、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鋳型DNA鎖と塩基対を形成し、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、酵素がさらに下流のDNAにアクセスする能力を阻害し、全長産物の合成を妨げます。RNA合成を継続するためには、RNAポリメラーゼはプロモーターから脱出する必要があります。合成のためにさらに下流のDNAをほどきながらプロモーターとの接触を維持し、さらに下流のDNAを開始複合体に「圧縮」する必要があります。 ^{[ 15 ]}プロモーターからの脱出遷移中、RNAポリメラーゼは「ストレスを受けた中間体」とみなされます。熱力学的に、ストレスはDNAの巻き戻しとDNAの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の接触を解除し、効果的にプロモーターからの脱出遷移を達成して伸長段階に入ります。活性中心のヘテロ二重鎖は、伸長複合体を安定化させる。

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、下流の接触を解除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、(1)新生転写物を放出してプロモーターから新たに開始するか、(2)RNAポリメラーゼの触媒活性によって活性部位の新生転写物に新しい3'-OHを再確立し、DNAスクランチングを再開してプロモーターからの脱出を達成するという2つの選択肢があります。プロモーターからの脱出遷移の前にRNAポリメラーゼが非生産的にサイクルするアボティブ開始は、アボティブ転写として知られるプロセスで約9 bpの短いRNA断片をもたらします。アボティブ開始の程度は、転写因子の存在とプロモーター接触の強さに依存します。^{[ 16 ]}

17 bp の転写複合体は 8 bp の DNA-RNA ハイブリッド、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る。^{[ 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 に沿って移動する。原核生物と真核生物の特徴的な伸長速度は約 10～100 nt/秒である。^{[ 18 ]}

RNAポリメラーゼ中のアスパラギン酸（asp ）残基はMg2 ⁺イオンを保持し、Mg2+イオンはリボヌクレオチドのリン酸基と配位結合する。最初のMg2 ^+イオンは、付加されるNTPのαリン酸基を保持する。これにより、RNA転写産物の3'-OH基による求核攻撃が可能になり、鎖に別のNTPが付加される。2番目のMg2 ⁺イオンは、NTPのピロリン酸基を保持する。^{[ 19 ]}全体の反応式は次のとおりである。

(NMP) _n + NTP → (NMP) _n+1 + _PPi

細菌では、RNA転写の終結は、ρ依存性またはρ非依存性のいずれかである。前者は、DNA-RNAヘテロ二重鎖を不安定化してRNAの放出を引き起こすρ因子に依存する。 ^{[ 22 ]}後者は、内在性終結とも呼ばれ、DNAの回文領域に依存する。この領域を転写すると、RNA転写がループして自身に結合することで「ヘアピン」構造が形成される。このヘアピン構造はGC塩基対に富むことが多く、DNA-RNAハイブリッド自体よりも安定している。その結果、転写複合体内の8 bpのDNA-RNAハイブリッドは4 bpのハイブリッドに変化する。この最後の4つの塩基対は弱いAU塩基対であり、RNA転写全体がDNAから脱落する。^{[ 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に続いて、その新しい3'末端への鋳型非依存的なアデニンの付加が起こり、この過程はポリアデニル化と呼ばれる。^{[ 24 ]}

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

RNAPは大きな分子です。コア酵素は5つのサブユニット（~ 400 kDa  ): ^{[ 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る。^{[ 27 ]} β′サブユニットには、RNA合成を担う活性中心の一部と、DNAおよび新生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る。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かれている。^{[ 28 ]}

β

βサブユニットは2番目に大きなサブユニットであり、rpoB遺伝子によってコードされている。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を決定する因子の残りの部分が含まれている。

α（α ^Iおよび α ^II）

RNAポリメラーゼ（RNAP）分子には、3番目に大きいサブユニットであるαサブユニットが2つ存在します。αIとαII ^{（ 1つと2つ}）です。各αサブユニットは、αNTD（N末端ドメイン）とαCTD（C末端ドメイン）の2つのドメインから構成されています。αNTDにはRNAPの組み立てに必要な決定因子が含まれています。αCTD（C末端ドメイン）には、プロモーターDNAとの相互作用に必要な決定因子が含まれており、ほとんどのプロモーターでは非配列非特異的な相互作用を、上流エレメントを含むプロモーターでは配列特異的な相互作用を形成します。また、調節因子との相互作用に必要な決定因子も含まれています。

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、RNAポリメラーゼ（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する。シグマはRNAPの非特異的DNAへの親和性を低下させ、プロモーターへの特異性を高めることで、正しい部位での転写開始を可能にする。したがって、完全なホロ酵素はβ′βα ^Iおよびα ^II ωσ（約450 kDa）の6つのサブユニットから構成される。

真核生物には複数の種類の核内RNAポリメラーゼ（RNAP）があり、それぞれが異なる種類のRNAの合成を担っている。これらはすべて、構造的にも機構的にも互いに関連しており、細菌のRNAPとも関連している。

真核生物の葉緑体には、多サブユニットRNAポリメラーゼ（「PEP、プラスチド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ポリメラーゼの構成に似ています。プラスチドゲノム上のRPOA、RPOB、RPOC1、RPOC2遺伝子によってコードされており、これらはタンパク質として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-10および-35モチーフを含むプロモーターを認識するためにシグマ（σ）因子の存在を必要とします。 ^{[ 36 ]}植物オルガネラRNAポリメラーゼと細菌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、PAP（PEP関連タンパク質）と呼ばれる多数の核コードタンパク質の結合を必要とします。PAPは、植物のPEP複合体と密接に関連する必須コンポーネントを形成します。当初、生化学的方法により10個のPAPからなるグループが特定され、後に12個の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番目の単一サブユニットRNAポリメラーゼ（「核コード型ポリメラーゼ、NEP」）も含まれている。真核生物のミトコンドリアは、核コード型単一サブユニットRNAポリメラーゼであるPOLRMT （ヒト）を使用している。 ^{[ 2 ]}このようなファージ様ポリメラーゼは、植物ではRpoTと呼ばれている。^{[ 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RNAPは、構造的にも機構的にも細菌RNAPおよび真核生物核RNAP IVに類似しており、特に構造的にも機構的にも真核生物核RNAP IIと密接に関連しています。^{[ 6 ] [ 40 ]} 古細菌RNAポリメラーゼの発見の歴史はごく最近のものです。古細菌のRNAPの最初の分析は1971年に行われ、極限好塩菌Halobacterium cutirubrumのRNAPが単離および精製されました。^{[ 41 ]} Sulfolobus solfataricusおよびSulfolobus shibataeのRNAPの結晶構造により、同定された古細菌サブユニットの総数は13になりました。^{[ 6 ] [ 42 ]}

古細菌では、真核生物の Rpb1 に対応するサブユニットが 2 つに分割されている。S . shibatae複合体には真核生物の Rpb9 ( POLR2I )の相同体は存在しないが、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る。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占められる空間を占めている。^{[ 6 ]}以前のS. solfataricus の構造に関する低解像度の研究では、Rpo13 は見つからず、その空間は Rpo5/Rpb5 にのみ割り当てられた。Rpo3 は鉄硫黄タンパク質であることで注目に値する。一部の真核生物に見られる RNAP I/III サブユニット AC40 は類似の配列を共有しているが、^{[ 42 ]}鉄とは結合しない。^{[ 43 ]}いずれの場合も、このドメインは構造的な機能を果たします。^{[ 44 ]}

古細菌RNAPサブユニットは以前は「RpoX」命名法を使用しており、各サブユニットには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Pol IIサブユニット「Rpb」番号付けに基づく新しい命名法が提案されました。^{[ 6 ]}

オルソポックスウイルスやその他の核細胞質大型DNAウイルスは、ウイルス由来の多サブユニットRNAポリメラーゼ（RNAP）を用いてRNAを合成する。これらのウイルスは真核生物のRNAPに最も類似しており、一部のサブユニットが縮小または除去されている。^{[ 45 ]}それらがどのRNAPに最も類似しているかは議論の的となっている。^{[ 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る。

多くのウイルスは、構造的にも機構的にも真核生物の葉緑体（RpoT）やミトコンドリア（ POLRMT ）の単サブユニットRNAポリメラーゼと関連があり、さらに遠縁ではあるがDNAポリメラーゼや逆転写酵素とも関連する、DNA依存性の単サブユニットRNAポリメラーゼ（ssRNAP）を使用している。おそらく、このような単サブユニットRNAポリメラーゼの中で最も広く研究されているのは、バクテリオファージT7 RNAポリメラーゼである。ssRNAPは校正機能を持たない。^{[ 2 ]}

B. subtilisプロファージSPβ は、msRNAP の β+β′ サブユニットのホモログである 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もずっと前に、標準的な 5 ユニット msRNAP から分岐したと考えられます。^{[ 47 ] [ 48 ]}

他のウイルスはRNA依存性RNAポリメラーゼ（DNAの代わりにRNAを鋳型として利用するRNAポリメラーゼ）を使用する。これは、ライフサイクルの一部で二本鎖RNAとして存在するマイナス鎖RNAウイルスとdsRNAウイルスで起こる。しかし、ポリオウイルスなどのプラス鎖RNAウイルスもRNA依存性RNAポリメラーゼを含んでいる。^{[ 49 ]}