ターミネーター (遺伝学)
遺伝学において、転写のターミネーターとは、転写が行われている遺伝子またはオペロンの終端を示す核酸配列部分である。新しく転写された RNA 中の配列がシグナルとなり、転写された RNA を転写複合体から放出するプロセスが開始される。このプロセスには mRNA の二次構造と転写複合体との直接的な相互作用、または呼び寄せられた終結反応因子による間接的な効果が含まれる。mRNA の放出によってRNAポリメラーゼと関連する転写装置は自由となり、新たな mRNA の転写サイクルが開始される。
細菌のゲノム中には、ρ (Rho) 依存的ターミネーターと非依存的ターミネーターという2つのクラスのターミネーターが同定されている。広く分布するこれらの配列は、遺伝子またはオペロンの転写の正常な完了による終結や、転写減衰においてみられるような調節手段としての早期終結、そして、上流のターミネーターを逃れた転写複合体に対する終結の保証を担っており、細胞が不必要な転写にエネルギーを消費することを防いでいる。
ρ依存的な転写ターミネーターは、mRNA-DNA-RNAポリメラーゼ複合体を解体するために、 (Rho因子) と呼ばれるRNAヘリカーゼ活性を示すタンパク質を必要とする。ρ依存的ターミネーターは、細菌とファージに見つかる。ρ依存的ターミネーターは、翻訳の終止コドンの下流に位置しており、そのコンセンサス配列は同定されていないものの、二次構造を持たないシトシンに富んだ配列からなる "rut" 部位 (rho utilization site) と、下流の "tsp" (transcription stop point) から構成される。 "rut" は ρ因子が mRNA に結合し活性化される部位である。活性化によって、"rut との結合が保たれている間は" ρ因子は効率的に ATP を加水分解し、mRNA上を下流へ移動する。ρ因子が "tsp" で止まっているRNAポリメラーゼに追いついて接触すると、ρ因子のRNAポリメラーゼへのアロステリック効果を伴うメカニズムによって転写複合体の解離が促進される。
内因性ターミネーター (intrinsic terminator) もしくはρ非依存的ターミネーターは、伸長している転写産物のヘアピン構造の形成を必要とし、それによって mRNA-DNA-RNAポリメラーゼ複合体が解体される。ターミネーター配列のDNAは、20 bp 程度のGCに富んだ逆相補的 (reverse complement) 配列と"T stretch"と呼ばれる短いポリ(T)配列を含んでおり、転写されてヘアピン構造と7–9ヌクレオチド程度の"U tract"が形成される。転写の終結は、ヘアピン構造の形成によって、RNAポリメラーゼへのアロステリック効果で直接的に解離が促進されるというメカニズムと、RNAポリメラーゼの進行が止まって不安定化することで解離の可能性が高まるというメカニズムとの組み合わせで起こるという仮説が立てられている。さらに、転写伸長因子の NusA がRNAポリメラーゼとヘアピン構造とに相互作用すると、転写終結が促進される。
真核生物の mRNA の転写では、終結のシグナルはRNAポリメラーゼII (pol II) に関連したタンパク質因子によって認識され、終結プロセスが開始される。ポリ(A)付加シグナルが mRNA へ転写されると、 (cleavage and polyadenylation specificity factor) と (cleavage stimulation factor) が pol II の CTD (C-terminal domain) からポリ(A)付加シグナルへ移動する。その後、これらの2つの因子は他のタンパク質を呼び寄せて転写産物を切断し、ポリアデニル化として知られるプロセスによって mRNA の 3' 末端に約200塩基のポリA鎖が付加される。このプロセシングの間もRNAポリメラーゼは数百から数千塩基にわたって転写を続け、最終的に DNA から解離する。そのメカニズムは不明だか、魚雷モデル (torpedo model) とアロステリックモデルという2つのモデルが提唱されている。
mRNA が完全に転写されてポリ(A)付加シグナルで切断された後も、残されたRNA鎖は pol II と DNA の鋳型に結合したままであり、転写は続けられる。切断の後、エキソヌクレアーゼが残されたRNA鎖に結合し、新たに転写されたヌクレオチドを除去しながら pol II へ向かって移動する。このエキソヌクレアーゼはヒトでは である。このモデルでは XRN2 が残されたRNAを分解しながら 5' から 3' へ、pol II に到達するまで進行すると仮定する。pol II に到達するとエキソヌクレアーゼは pol II のユニットを押し出し、転写を終結させるとともに残ったRNA鎖を完全に除去する。
ρ依存的な転写終結と同様に、XRN2 は、pol II を DNA の鋳型から押し出すか、鋳型を pol II から引き抜くかによって、解離を引き起こす。しかし、どのメカニズムで起こるのかはまだ不明であり、解離のメカニズムが1つではない可能性もある。
転写された mRNA をエキソヌクレアーゼによる分解から防ぐために、mRNA には5'キャップが付加される。これは mRNA の先頭に付加される修飾されたグアニンで、エキソヌクレアーゼが結合してRNA鎖を分解するのを防いでいる。3' のポリ(A)テールも、同じように他のエキソヌクレアーゼから保護するために mRNA の末端に付加される。
アロステリックモデルは、pol II がシグナルを転写した後に pol II の関連タンパク質が結合または解離し、それに伴う pol II の構造的な変化によってDNA鎖からの解離が起こる、と示唆する。ポリ(A)付加シグナルの配列が終結のシグナルとして機能すると考えられている。
通常 pol II は、効率的に DNA を一本鎖の mRNA へ転写することができる、しかしながら、ポリ(A)付加シグナルを転写すると、pol II の CTD から関連タンパク質が失われることによって pol II のコンフォメーションの遷移が引き起こされる。このコンフォメーション変化によって pol II のプロセシビティが低下し、DNA-RNAの基質から解離しやすい状態となる。この場合、転写の終結は RNA の分解によって完了するのではなく、RNAポリメラーゼの伸長効率が限定されることで、ポリメラーゼが解離して転写サイクルが終了する可能性が高くなることで起こる。
RNA polymerase is normally capable of transcribing DNA into single-stranded mRNA efficiently. However, upon transcribing over the poly-A signals on the DNA template, a conformational shift is induced in the RNA polymerase from the proposed loss of associated proteins from its carboxyl terminal domain. This change of conformation reduces RNA polymerase's processivity making the enzyme more prone to dissociating from its DNA-RNA substrate. In this case, termination is not completed by degradation of mRNA but instead is mediated by limiting the elongation efficiency of RNA polymerase and thus increasing the likelihood that the polymerase will dissociate and end its current cycle of transcription.