RNAポリメラーゼIV

RNAポリメラーゼIV（RNAP IV）は、植物において遺伝子発現を抑制する低分子干渉RNA（siRNA）を合成する酵素である。^{[1] [2] [3] RNAP IVは、DNAテンプレートからRNAを合成する}RNAポリメラーゼと呼ばれる転写プロセスを触媒する酵素ファミリーに属している。^{[4]陸上植物の}系統発生研究により発見されたRNAP IVの遺伝子は、 RNAポリメラーゼII系統発生で発生した多段階の進化プロセスの結果として生じたと考えられている。^[5]このような進化経路は、RNAP IVがRNAポリメラーゼIIと類似または同一の12個のタンパク質サブユニットで構成され、植物ゲノムに特異的であるという事実によって裏付けられている。^{[6] RNAP IVは、siRNAの合成を介して、} RNA誘導性DNAメチル化（RdDM）と呼ばれるプロセスにおけるヘテロクロマチン形成の調節に関与している。^{[1] [2]}

陸上植物の系統発生研究により、RNAポリメラーゼIVが発見されました。 [ ⁵ ] RNAP IVの最大サブユニット（RPD1）と2番目に大きいサブユニット（RPD2）の解析は、 RNAP II遺伝子のBlast検索に類似していました。^[5] RPD1とRPD2の遺伝子はすべての陸生植物で見つかり、最大の遺伝子は藻類分類群のCharaleで見つかりました。タンパク質の起源をさらに解析すると、最大サブユニットの遺伝子重複イベントが示され、Charalesと陸上植物および藻類の分岐後に重複イベントが発生したことが示唆されました。^[5]具体的には、RNAP IIの最大サブユニットは重複イベントを通じてRPD1を形成し、分岐によりRPD2遺伝子が発生しました。これらの重複イベントの証拠は、RNAP IV遺伝子が多段階のプロセスでRNAP II系統樹から来たことを示唆しています。言い換えれば、最初のサブユニットの分岐は、新しいRNAPの進化における複数の第一歩です。^[5] RNAP IVは、最大と2番目に大きいサブユニットに加えて、RNAP IIと複数のサブユニットを共有しており、これは特定の系統の継続的な複製イベントによっても示唆されています。^[7]

アラビドプシスは、以前はRNAP IVaとRNAP IVbと呼ばれていた2つの形態のRNAP IVを発現しており、これらは最大サブユニットが異なり、重複しない作用を持っています。^[8]トランスポゾンの効率的なサイレンシングには両方のRNAP IV形態が必要ですが、基本的なサイレンシングにはRNAP IVaのみが必要です。この発見は、トランスポゾンのメチル化のメカニズムには両方の形態が必要であることを示唆しています。^[8]その後の実験では、かつてRNAP IVの2つの形態であると考えられていたものが、実際には構造的にも機能的にも異なる2つのポリメラーゼであることが示されました。^{[9] RNAP IVaはRNAP IVと指定され、RNAP IVbは}RNAP Vとして知られるようになりました。^[9]

RNAポリメラーゼIVは、 RNAポリメラーゼIIを構成する12のサブユニットと類似または同一の12のタンパク質サブユニットで構成されています。RNAP IVの構造をRNAP IIおよびRNAP Vと区別するのは4つのサブユニットのみです。RNAポリメラーゼVはRNAP IIと6つのサブユニットが異なり、これは植物においてRNAP IVとRNAP Vの両方がRNAP IIから進化したことを示しています。^[6]アラビドプシスでは、RNAP IVとRNAP IIを区別するサブユニットをコードする2つの独自の遺伝子が見つかりました。^[10]最大のサブユニットはNRPD1（旧称NRPD1a）によってコードされ、2番目に大きいサブユニットはNRPD2によってコードされ、RNAP Vと共有されています。^{[1]これらのサブユニットには、RNAポリメラーゼIVによって生成される}siRNAの20〜30％の生成に必要なカルボキシル末端ドメイン（CTD）が含まれていますが、 DNAメチル化には必要ありません。^[11]

RNAポリメラーゼIV（RNAP IV）がヘテロクロマチンの生成に関与しているという証拠があり、RNAP IV触媒サブユニット（NRPD1およびNRPD2）のいずれかの機能不全がヘテロクロマチンの形成を阻害する。^[2]ヘテロクロマチンはDNAのサイレンシングされた部分であるため、RNAP IVがDNAのシトシン塩基のメチル化を担う小さな干渉RNA（siRNA）の生成を増幅すると形成される。このメチル化により遺伝コードのセグメントがサイレンシングされ、mRNAに転写されることはできるが、タンパク質に翻訳されることはない。^{[3] [12]} RNAP IVは、植物の成熟中に5S遺伝子のメチル化パターンの設定に関与し、植物に成体の特徴を発達させる。^[13]

ヘテロクロマチン形成の最初のステップでは、RNAP IVがRDR2として知られるRNA依存性RNAポリメラーゼと結合して、siRNAの二本鎖前駆体を作ります。 ^[14]次に、二本鎖RNA基質を切断する酵素であるDICER様タンパク質3（DLP3）が、二本鎖前駆体をそれぞれ24ヌクレオチド長のsiRNAに切断します。^{[15]これらのsiRNAは、} HUA ENHANCER 1（HEN1）として知られるタンパク質によって3'末端でメチル化されます。 ^{[16]最後に、これらのメチル化されたsiRNAは}ARGONAUTE-4 （AGO4）として知られるタンパク質と複合して、ヘテロクロマチン生成に必要なメチル化を実行できるサイレンシング複合体を形成します。^{[17]このプロセスは}RNA誘導DNAメチル化（RdDM）またはPol IV媒介サイレンシングと呼ばれ、 siRNAによるメチル基の導入によりトランスポゾンとDNAの反復配列の両方がサイレンシングされるためです。^[1]

SAWADEE HOMEODOMAIN HOMOLOG 1 (SHH1) は、RNAP IV と相互作用し、メチル化によるその制御に重要なタンパク質です。SHH1 は、特定の「マークされた」セグメントでのみクロマチンに結合できます。これは、その「SAWADEE」ドメインがクロマチン結合ドメインであり、クロマチンのヒストン 3 (H3) テール上のメチル化されていない K4 修飾とメチル化された K9 修飾をプローブするためです。その後、その結合ポケットがこれらの部位でクロマチンに付着し、これらの同じ遺伝子座での RNAP IV の占有が可能になります。このように、SHH1 は、 RdDMで最も積極的に標的とされるゲノム遺伝子座での RNAP IV のリクルートメントと安定化を可能にし、前述の24 ヌクレオチド長のsiRNAの生合成を促進します。さらに、SHH1 は抑制性のヒストン修飾に結合し、このプロセスを妨げる変異は DNA メチル化と siRNA 生成の減少に関連しています。^[18]このメカニズムによるRNAP IVによるsiRNA産生の制御は、このようにして産生されたsiRNAが侵入ウイルスや内因性転移因子の増殖からゲノムを守るため、大きな下流効果をもたらす。^[19]