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RNAポリメラーゼI （ Pol Iとも呼ばれる）は、高等真核生物において細胞内で合成される全RNAの50%以上を占めるリボソームRNAを転写するポリメラーゼである。RNAポリメラーゼIIIによって合成される5S rRNAは転写しない。[ 1 ]
Pol I は 590 kDa の酵素で、14 個のタンパク質サブユニット(ポリペプチド) から構成されており、酵母Saccharomyces cerevisiaeにおけるその結晶構造は2013 年に 2.8Å の分解能で解明されました。[ 2 ] そのサブユニットのうち 12 個は、RNA ポリメラーゼ II (Pol II) およびRNA ポリメラーゼ III (Pol III) に同一または関連する対応物を持っています。残りの 2 つのサブユニットは Pol II の開始因子に関連しており、Pol III に構造的な相同体を持っています。
リボソームDNAの転写は核小体に限定されており、核小体には約400コピーの42.9kbのrDNA遺伝子が存在し、核小体形成領域にタンデムリピートとして配置されている。各コピーには、 18S、5.8S、および28S RNA分子をコードする約13.3kbの配列が含まれており、2つの内部転写スペーサーITS1およびITS2が交互に配置され、上流には5'外部転写スペーサー、下流には3'外部転写スペーサーが隣接している。[ 3 ] [ 4 ]これらの構成要素は一緒に転写されて45S pre-rRNAを形成する。[ 5 ] 45S pre-rRNAは、転写後、C/DボックスおよびH/ACAボックスsnoRNAによって切断され、[ 6 ] 2つのスペーサーが除去され、複雑な一連のステップを経て3つのrRNAが生成されます。[ 7 ] 5SリボソームRNAはPol IIIによって転写されます。Pol I転写は単純であるため、最も速く作用するポリメラーゼであり、指数関数的に増殖する細胞では細胞転写レベルの最大60%を占めます。
Saccharomyces cerevisiaeでは、5S rDNA は rDNA リピートの内部に位置するという珍しい特徴を持っています。転写されないスペーサー NTS1 と NTS2 に挟まれており、rDNA の残りの部分とは別に、Pol III によって逆方向に転写されます。[ 7 ]
細胞の成長速度はタンパク質合成速度に直接依存しており、タンパク質合成速度自体はリボソーム合成およびrRNA転写と密接に関連している。したがって、細胞内シグナルはrRNAの合成をタンパク質翻訳の他の構成要素の合成と協調させる必要がある。MycはヒトのリボソームDNAに結合してRNAポリメラーゼIによるrRNA転写を刺激することが知られている。 [ 8 ] rRNA合成とPol Iを介した転写の適切な制御を保証する2つの特定のメカニズムが特定されている。
転写可能なrDNA遺伝子の数が非常に多い（数百個）ことを考えると、最初のメカニズムは、特定の時間に転写される遺伝子の数を調整することである。哺乳類細胞では、活性rDNA遺伝子の数は細胞の種類と分化レベルによって異なる。一般的に、細胞が分化するにつれて、成長の必要性が少なくなり、したがってrRNA合成が減少し、転写されるrDNA遺伝子の数も減少する。rRNA合成が刺激されると、SL1（選択性因子1）は、これまで不活性であったrDNA遺伝子のプロモーターに結合し、転写開始前複合体をリクルートし、そこにPol Iが結合してrRNAの転写を開始する。
rRNA転写の変化は、転写速度の変化によっても起こり得る。Pol Iが転写速度を増加させる正確なメカニズムはまだ不明であるが、活性転写されているrDNAの数に変化がなくても、rRNA合成が増加または減少する可能性があることが示されている。
転写（あらゆるポリメラーゼによる）の過程には、主に3つの段階があります。
Pol I はプロモーターにTATA ボックスを必要とせず、代わりに -200 ～ -107 の間にある上流制御エレメント (UCE) と -45 ～ +20 の間にあるコアエレメントに依存している。 [ 9 ] [ 10 ]
このプロセスは生物によって異なることに注意してください。[ 10 ]
Pol Iがプロモーターから脱出して離れると、UBFとSL1はプロモーターに結合したままで、別のPol Iをリクルートする準備ができています。活性rDNA遺伝子は、Pol II転写遺伝子とは異なり、同時に複数回転写できます。Pol II転写遺伝子は、一度に1つの複合体としか結合しません。さらに、UBFは、抗抑制機能を介してPol Iの伸長を促進する正のフィードバックとしても機能する可能性があります。別の因子であるTIF-ICも、転写の全体的な速度を刺激し、Pol Iの一時停止を抑制することができます。Pol IがrDNAに沿って進むと、複合体の前方と後方の両方にスーパーコイルが形成されます。これらは、Pol II媒介転写で見られるのと同様に、トポイソメラーゼIまたはIIによって一定の間隔で巻き戻されます。伸長は、DNA損傷部位で中断される可能性があります。転写共役修復は、Pol II転写遺伝子と同様に発生し、TFIIH、CSB、XPGなどのいくつかのDNA修復タンパク質の存在が必要です。[ 13 ]
伸長は試験管内では妨げられることなく進行するが、ヌクレオソームの存在によってこのプロセスがどのように具体的に影響を受けるかは、現時点では不明である。現在の研究では、複数のローブ結合サブユニットが転写中にヌクレオソームを通過するのを促進する役割を担っていることが示唆されている。[ 14 ]
高等真核生物では、TTF-IはrRNA遺伝子の下流にある終結エレメントに結合し、転写産物の3'末端にある終結部位を曲げ、Pol Iを一時停止させる。TTF-Iは、転写放出因子PTRFとTリッチ領域の助けを借りて、Pol Iに転写を終結させ、DNAと新しい転写産物から解離させる。その後、TTF-IとPTRFは、同じrDNA遺伝子でのPol Iによる転写の再開始を間接的に刺激する。証拠は、rRNAの産生量が多い場合には終結が律速段階になる可能性があることを示唆している。出芽酵母などの生物では、このプロセスははるかに複雑であることが指摘されており、まだ完全には解明されていない。[ 13 ]
Recombination hotspots are DNA sequences that increase local recombination. The HOT1 sequence in yeast is one of the most well studied mitotic recombination hotspots. The HOT1 sequence includes an RNA polymerase I transcription promoter. In a yeast mutant strain defective in RNA polymerase I the HOT1 activity in promoting recombination is abolished. The level of RNA polymerase I transcription activity that is dependent on the promoter in the HOT1 sequence appears to determine the level of nearby mitotic recombination.[15]