シグマ係数

シグマ因子（σ因子または特異性因子）は、細菌における転写開始に必要なタンパク質である。^{[ 1 ] [ 2 ]}これは、RNAポリメラーゼ（RNAP）が遺伝子プロモーターに特異的に結合することを可能にする細菌の転写開始因子である。古細菌の転写因子Bおよび真核生物の因子TFIIBと相同性がある。^{[ 3 ]}特定の遺伝子の転写開始に使用される特異的なシグマ因子は、遺伝子およびその遺伝子の転写開始に必要な環境シグナルによって異なる。RNAポリメラーゼによるプロモーターの選択は、それに結合するシグマ因子に依存する。^{[ 4 ]}これらはまた、細菌のようなプラスチドコードポリメラーゼ（PEP）の一部として植物の葉緑体にも見られる。^{[ 5 ]}

シグマ因子は、RNAポリメラーゼとともにRNAポリメラーゼホロ酵素として知られています。RNAポリメラーゼホロ酵素の各分子には、正確に1つのシグマ因子サブユニットが含まれており、モデル細菌である大腸菌では、以下にリストされているもののいずれかです。シグマ因子の数は、細菌種によって異なります。^{[ 1 ] [ 6 ]}大腸菌には7つのシグマ因子があります。シグマ因子は、その特徴的な分子量によって区別されます。たとえば、σ70^{は、分子量が70} kDaのシグマ因子です。

RNAポリメラーゼホロ酵素複合体中のシグマ因子は転写開始に必要であるが、その段階が完了すると複合体から解離し、RNAポリメラーゼは自力で伸長を続ける。

異なる環境条件下では、異なるシグマ因子が利用される。これらの特殊なシグマ因子は、それぞれの環境条件に適した遺伝子のプロモーターに結合し、それらの遺伝子の転写を促進する。

大腸菌におけるシグマ因子：

• σ ⁷⁰ (RpoD) – σ ^A – 「ハウスキーピング」シグマ因子、またはプライマリーシグマ因子（グループ 1）とも呼ばれ、増殖中の細胞でほとんどの遺伝子を転写します。すべての細胞には、必須の遺伝子と経路を機能させ続ける「ハウスキーピング」シグマ因子があります。^{[ 1 ]}大腸菌やその他のグラム陰性桿菌の場合、「ハウスキーピング」シグマ因子は σ ⁷⁰です。^{[ 1 ]} σ ⁷⁰によって認識される遺伝子はすべて、2 つの部分からなる類似のプロモーターコンセンサス配列を含んでいます。^{[ 1 ]} RNA 転写の開始に対応する DNA 塩基に対して、コンセンサスプロモーター配列は、転写開始の 10 ヌクレオチドと 35 ヌクレオチド前 (-10 と -35) を特徴的に中心としています。
• σ19 （FecI）－クエン酸鉄シグマ因子は、鉄の輸送と代謝に関わるfec遺伝子を調節する^。
• σ ²⁴ (RpoE) – 極度の熱ストレス応答と細胞外タンパク質シグマ因子
• σ28 （RpoF/FliA） –鞭毛^合成および走化性シグマ因子
• σ32 （RpoH）は、熱ショックシグマ因子であり^、細菌が熱にさらされると活性化されます。発現量が高いため、この因子はポリメラーゼコア酵素に高い確率で結合します。これにより、他の熱ショックタンパク質が発現し、細胞が高温に耐えられるようになります。σ32の活性化に伴って発現する酵素には、^{シャペロン}、プロテアーゼ、 DNA修復酵素などがあります。
• σ ³⁸ (RpoS) – 飢餓/定常期シグマ因子
• σ ⁵⁴ (RpoN) – 窒素制限シグマ係数

また、シグマ因子の機能を阻害する抗シグマ因子や、シグマ因子の機能を回復させる抗抗シグマ因子も存在する。

配列類似性から、ほとんどのシグマ因子はσ70様である^（ InterPro ：IPR000943 ）。これらは一般的に保存されている4つの主要な領域（ドメイン）を持つ。 

N末端 --------------------- C末端 1.1 2 3 4

これらの地域はさらに細分化される。例えば、地域2には1.2と2.1から2.4までが含まれる。

ドメイン 1.1 は「プライマリ シグマ因子」（大腸菌の RpoD、RpoS 、「グループ 1」）にのみ存在します。これは、シグマ因子が RNA ポリメラーゼと複合体を形成している場合にのみプロモーターに結合することを保証する役割を担っています。 ^{[ 7 ]}ドメイン 2～4 はそれぞれ特定のプロモーター要素および RNAP と相互作用します。領域 2.4 はプロモーター -10 要素（「プリブナウ ボックス」と呼ばれる）を認識して結合します。領域 4.2 はプロモーター -35 要素を認識して結合します。^{[ 7 ]}

σ ⁷⁰ファミリーのすべてのシグマ因子がすべてのドメインを含むわけではありません。RpoS を含むグループ 2 はグループ 1 と非常によく似ていますが、ドメイン 1 がありません。グループ 3 もドメイン 1 がなく、σ ²⁸を含みます。細胞外機能 (ECF) グループとしても知られるグループ 4 は、σ1.1 と σ3 の両方がありません。RpoE はそのメンバーです。^{[ 7 ]}

他の既知のシグマ因子はσ54/RpoN（InterPro：IPR000394）型である^。これらは機能的なシグマ因子であるが、一次アミノ酸配列が大きく異なる。^{[ 8 ]} 

コアRNAポリメラーゼ（2つのαサブユニット、1つのβサブユニット、1つのβ'サブユニット、および1つのωサブユニットから構成される）は、シグマ因子と結合してRNAポリメラーゼホロ酵素と呼ばれる複合体を形成する。従来、RNAポリメラーゼホロ酵素が転写を開始し、コアRNAポリメラーゼ単独でRNAを合成すると考えられていた。そのため、転写開始から転写伸長への移行時にシグマ因子が解離しなければならないという見解が受け入れられていた（この移行は「プロモーターエスケープ」と呼ばれる）。この見解は、転写開始および伸長で停止した精製RNAポリメラーゼ複合体の分析に基づいていた。最後に、RNAポリメラーゼ複合体の構造モデルは、成長中のRNA産物が約15ヌクレオチドより長くなると、RNAとシグマドメインの間に立体的な衝突があるため、シグマがホロ酵素から「押し出される」必要があると予測した。しかし、σ70は初期伸長[9]、場合によっては伸長全体[10]においてコアRNAポリメラーゼと複合体を形成したままになることがある。^{実際、プロモーター近傍}の^{一時停止現象}は、シグマが初期伸長中に役割を果たしていることを示している。すべての研究は、プロモーターからの脱出によって、開始時の非常に長い（典型的な生化学実験では測定できないほど長い）シグマとコアの相互作用の寿命が、伸長への移行時に測定可能な短い寿命に短縮されるという仮定と一致している。

シグマ因子は転写を開始すると必ずコア酵素から離れ、別のコア酵素に結合して別の場所で転写を開始すると長らく考えられてきた。そのため、シグマ因子は1つのコアから別のコアへと循環すると考えられていた。しかし、蛍光共鳴エネルギー移動法を用いて、シグマ因子は必ずしもコアから離れるわけではないことが示された。^{[ 9 ]}代わりに、開始と伸長の間にコアとの結合状態が変化する。したがって、シグマ因子は開始時には強く結合した状態と伸長時には弱く結合した状態の間を循環する。

細菌細胞（例えば大腸菌）におけるRNAポリメラーゼの数は、シグマ因子の数よりも少ないことが示されている。したがって、特定のシグマ因子が過剰発現すると、そのシグマ因子を好むプロモーターを持つ遺伝子の発現レベルが増加するだけでなく、他のシグマ因子を好むプロモーターを持つ遺伝子が発現する確率も減少する。^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]}

一方、転写開始には、閉鎖複合体形成と開放複合体形成という2つの主要な律速段階があります。しかし、最初の段階のダイナミクスのみがシグマ因子の濃度に依存します。興味深いことに、開放複合体形成に比べて閉鎖複合体形成が速いほど、プロモーターはシグマ因子の濃度の変化に対して反応しにくくなります（この現象のモデルと経験的データについては^{[ 14 ]を参照）。}

大腸菌のほとんどの遺伝子は、1種類のシグマ因子（例えばシグマ70）のみを持つRNAポリメラーゼによって認識されますが、少数の遺伝子（約5%）は「二重シグマ因子嗜好性」^{[ 15 ]}、つまり2種類の異なるシグマ因子に反応できることがRegulonDBに報告されています。^{[ 16 ]}最も一般的なものは、シグマ70とシグマ38の両方に反応できるプロモーターです（図に示されています）。これらの遺伝子の動態の研究によると、細胞が定常増殖期に入ると、σ38のみを嗜好する遺伝子とほぼ同じくらい誘導されることが示されています。この誘導レベルは、プロモーター配列から予測できることが示されています。^{[ 15 ]}これらの動態のモデルを図に示します。将来的には、これらのプロモーターは、大腸菌の合成遺伝子構築において有用なツールとなる可能性があります。

• エッケハルト・バウツ

• 米国国立医学図書館の医学主題見出し（MeSH）におけるSigma+Factor