転写 (生物学)
転写は膨大な種類のタンパク質とRNAを必要な時期に必要な量を正確に合成するための重要な代謝過程である。この重要で難解な作業を成功させるために、生物は遺伝子を活用する。遺伝子は安定なDNAの塩基配列で記録され、生物はそれと同じ配列のRNAを合成することができる。これが転写であり、例えばtRNAなどが転写される。また遺伝子(とそれを写し取ったRNA)の中には特定のタンパク質に対応するものもある。遺伝情報に基づいてタンパク質を作ることを、その遺伝子を発現 expression するというが、その前段階として特に転写は重要である。
タンパク質を合成するために必要なRNAは伝令RNA(メッセンジャーRNA messenger RNA:mRNA) であるが、その合成過程は種によって大いに異なる。原核生物ではmRNAを転写することができるのに対し、真核生物は転写で作ったRNA(一次転写産物 primary transcript )にPre-mRNA スプライシングなどのさらなる段階を経なければmRNAを得ることができない。真核生物におけるmRNAを特に成熟mRNA、成熟する前のRNAをmRNA前駆体と呼ぶ。また、転写から直接合成するRNAを転写産物 transcription product と呼ぶ。
一般に転写には開始、伸長、終結の過程があり、また開始にいたるまでに様々な転写調節因子が転写の活性化や抑制に関わっている。近年はクロマチン構造を通しての転写制御機構が注目されている。基本的な機構はあらゆる生物で共通しているが、各ドメイン(生物を分類する最上位階級)ごとの違いはやや大きい。細菌は細胞質中で転写を行い、転写機構も単純である。
転写における開始段階 initiation ではまずRNAポリメラーゼをはじめ転写に関わる酵素がDNA上の転写開始部位に結合する。この部位はオペロンの5'側末端であり、プロモーター promoter という。結合した各酵素は複合体(ホロ酵素)を成すが、この構造は順序だって変遷するため開始段階はさらに3つに分けられる。初めは組み込んだDNAが二重らせんのままである閉鎖型複合体 closed complex:PRc であるが、転写はssDNAでないと実行できない。第2段階として、プロモーターをほどいた開放型複合体 open complex:PR0 と、ssDNA領域の転写バブル ribonucleoside triphosphate (先端を解離点 unwinding point 、後端を巻き直し点 rewinding point という)を形成する。転写産物の始まりとなる約10nt(ヌクレオチド)の合成も最後の段階として行う。RNAポリメラーゼが初活躍するこの時期は初期転写複合体 initial transcribing complex と呼び、伸長段階に向けてプロモーターから脱出する。
また、ファーナムとプラットは、T高含有配列が転写されるにつれRNAのUとDNAのAとの間に塩基対(rU-dA)が形成すると考えた。この塩基対の融解温度はrU-dAもしくはrU-rAよりも20°C低い。2つの要素についての考察から得られる結論は、T高含有配列でRNAポリメラーゼは一時的に停止し、次にヘアピン構造が形成されることにより弱い結合が切られるというものである。ヘアピン構造はRNAポリメラーゼを押して転写産物から離すか、何らかの立体構造変化を引き起こすものと考えられている。W. S. ヤーネル W. S. Yarnell とジェフリー・ロバーツ Jeffrey Roberts は転写終結において2つの要素は必ずしも必要ではないことを明らかにした。必要なのは、転写産物と極端に弱い塩基対形成する配列と、一時的に転写を停止させる何かである。
正しい塩基対より活性部位に長く留まるため、間違った塩基対がより逆反応を受ける。2つ目は加水分解校正 hydrolytic editing で、1個あるいはそれ以上のヌクレオチドの距離を引き返し、間違いを含む塩基配列を切り離す。
加水分解校正とともに伸長自体を促進するGre因子がある。この因子は伸長反応を効率よくし、転写の難しい所で停滞させないようにする。伸長段階でホロ酵素に加わり、伸長と終結を助けるNusタンパクというタンパク質群も発見されている。
RNAポリメラーゼが途中で転写をやめる場合がある。原因の多くはDNAの損傷であるが、これに出会うとそこから先の転写を続行できないうえに、停止すればほかのポリメラーゼも妨害してしまう。これに対処するため、TRCF transcription-repair coupling factor は停止したRNAポリメラーゼを発見するとヌクレオチド除去修復タンパク(エンドヌクレアーゼUvrA、B、C)を招集し、RNAポリメラーゼをDNAから離す。RNAポリメラーゼは修復タンパクを損傷に近づけるようにすることもある。これを転写と共役した修復 transcription-coupled repair という。
RNAポリメラーゼIIIによる転写に必要な酵素以外の基本転写因子蛋白質をTFIII (Transcription Factor for Pol III) シリーズと呼び、現在、
TFIIIA:
TFIIIB:
TFIIIC:
の三つが知られている。その他にも、
TBP:TATA結合蛋白質
PTF:PSE結合蛋白質
などの因子も存在する。
RNAポリメラーゼIIIによって転写される遺伝子の場合、転写開始の機作が、そのプロモーター領域の構造により
遺伝子構造の内部にAブロック(+20の位置)、Bブロック(+51から+113の位置)の二つのコアプロモーター(転写の開始に際し必須の配列)を持つもの。TFIIIB,TFIIICの二つが必要。
遺伝子構造の内部にAブロック、Iブロック、Bブロックの二つのコアプロモーター(転写の開始に際し必須の配列)を持つもの。TFIIIA,TFIIIB,TFIIICの三つが必要
TATAボックス(-25の位置)、PSE(近位配列要素;-55の位置)を持つもの。TBP,TFIIIB,PTFの三つの因子が必要
の三つの様式に分かれる。