RNAポリメラーゼI

RNAポリメラーゼI (Pol I)

RNAポリメラーゼI（Pol I）は、高等真核生物においてリボソームRNA（rRNA、ただし5S rRNAを除く）の転写を専門に行う酵素です。細胞内で合成されるRNAの総量の半分以上を占めるrRNAの合成を担う、非常に重要な役割を果たしています。

構造と機能

Pol Iは、14種類のタンパク質サブユニットから構成される巨大な酵素複合体（分子量約590 kDa）です。2013年には、出芽酵母 Saccharomyces cerevisiae のPol Iの結晶構造が2.8 Åの分解能で解かれ、その詳細な構造が明らかになりました。この構造解析から、Pol Iのサブユニットのうち12種類は、RNAポリメラーゼII（Pol II）やRNAポリメラーゼIII（Pol III）と共通または対応するサブユニットであることが判明しています。残りの2つのサブユニットは、Pol IIの転写開始因子と関連しており、Pol IIIにも構造的な類似性が見られます。

リボソームDNA（rDNA）の転写は、核小体と呼ばれる細胞小器官に限定されています。核小体形成領域には、約400コピーものrDNA遺伝子が縦列反復（タンデムリピート）構造で配置されています。各コピーは約13.3 kbの配列を含み、18S、5.8S、28S rRNA分子をコードしています。これらの遺伝子の間には、internal transcribed spacer（ITS1、ITS2）と呼ばれるスペーサー領域が存在し、上流には5' external transcribed spacer、下流には3' external transcribed spacerと呼ばれる領域があります。これらの領域は共に転写され、45S pre-rRNAという大きな前駆体RNAを形成します。その後、45S pre-rRNAはC/D boxやH/ACA box snoRNAによって切断され、複雑な過程を経てスペーサー領域が除去され、成熟した3種類のrRNAが生成されます。なお、5S rRNAはPol IIIによって転写されます。

Pol Iによる転写は、他のRNAポリメラーゼに比べて単純であるため、最も迅速に機能するポリメラーゼです。対数増殖期にある細胞では、細胞内の転写の最大60%をPol Iが占めることがあります。

興味深いことに、Saccharomyces cerevisiae では、5S rDNAがrDNAリピートの内部に存在するという例外的な特徴を持っています。5S rDNAは、転写されないスペーサー領域（NTS1、NTS2）に隣接しており、rDNAの残りの部分とは独立して、Pol IIIによって逆方向に転写されます。

rRNAの転写の調節

細胞の成長速度は、タンパク質合成の速度に直接的に依存しており、タンパク質合成速度自体は、リボソームの合成とrRNAの転写と密接に関連しています。そのため、細胞内のシグナルによってrRNAの合成とタンパク質の翻訳に関わる他の要素の合成を協調的に調節する必要があります。

癌遺伝子として知られるMycは、ヒトのrDNAに結合し、Pol Iによる転写を促進することが知られています。rRNAの合成とPol Iによる転写の適切な制御を保証する機構として、以下の2つが同定されています。

1つ目の機構は、転写可能なrDNA遺伝子の数を調節するものです。哺乳類では、細胞種や分化のレベルによって、活発なrDNA遺伝子の数が異なります。一般的に、細胞の分化が進むほど成長は遅くなり、その結果、rRNAの合成と転写されるrDNA遺伝子の数は減少します。rRNAの合成が促進される際には、SL1（selectivity factor 1）と呼ばれる因子が不活性なrDNA遺伝子のプロモーターに結合し、Pol Iが結合する転写開始複合体を呼び寄せてrRNAの転写を開始します。

2つ目の機構は、Pol Iの転写速度を変化させるものです。Pol Iの転写速度が上昇する正確な機構はまだ完全には解明されていませんが、活発に転写されるrDNA遺伝子の数に変化がなくても、rRNA合成が増減することが示されています。

転写サイクル

転写の過程は、どのRNAポリメラーゼによるものであっても、以下の3つの主要な段階に分けられます。

1. 開始: 転写因子の助けを借りて、遺伝子のプロモーター領域にRNAポリメラーゼ複合体が形成されます。
2. 伸長: 遺伝子の大部分が、対応するRNA配列へと実際に転写されます。
3. 終結: RNAの転写が停止し、RNAポリメラーゼ複合体が解体されます。

開始

Pol Iは、プロモーター領域にTATAボックスを必要としません。その代わりに、転写開始点の上流-200から-107塩基に位置するupstream control element（UCE）と、-45から+20塩基に位置するコアエレメントに依存します。

1. 二量体のupstream binding factor（UBF）が、UCEとコアエレメントに結合します。
2. UBFが、TATA結合タンパク質（TBP）と3つのTBP結合因子からなる複合体（ヒトではSL1、マウスではTIF-IBと呼ばれる）を呼び寄せて結合します。
3. UBF二量体は、HMGボックス（high-mobility-group box）をいくつか含んでおり、これらが転写開始点の上流領域にループ構造を作り出し、UCEとコアエレメントを近接させます。
4. RRN3/TIF-IAがリン酸化され、Pol Iに結合します。
5. Pol IがRRN3/TIF-IAを介してUBF/SL1複合体と結合し、転写が開始されます。

この過程は生物種によって異なる場合があることに注意が必要です。

伸長

Pol Iのプロモーターエスケープとプロモータークリアランスが起こった後も、UBFとSL1はプロモーターに結合したままであり、別のPol Iを呼び寄せることができます。実際、活発なrDNA遺伝子では、同時に複数回の転写が起こっています。これは、Pol IIによって転写される遺伝子が一度に一つの複合体とだけ結合するのとは対照的です。

In vitro では、伸長過程は妨げられることなく進行しますが、細胞内ではヌクレオソームが存在することを考えると、細胞内でも同様に進行するかは明らかではありません。Pol Iは、おそらくはクロマチンリモデリング活性の助けを借りながら、ヌクレオソームを迂回または破壊して通過し、転写を行うと考えられています。加えて、UBFは抗リプレッサーとしてPol Iの伸長過程を促進している可能性があります。また、付加的な因子であるTIF-ICは、転写速度を全体的に促進し、Pol Iの一時停止を抑制します。

Pol IがrDNAに沿って進行するにつれて、複合体の前後にはスーパーコイルが形成されます。これらは、Pol IIによる転写と同様に、トポイソメラーゼIまたはIIによって定期的にほどかれます。

伸長は、DNA損傷を受けた地点で中断しやすいことが知られています。Pol IIによって転写される遺伝子と同様に、転写と共役した修復が起こり、TFIIH、CSB、XPGなど、いくつかのDNA修復タンパク質を必要とします。

終結

高等真核生物では、TTF-Iが転写領域の3'末端に結合して終結部位を屈曲させ、これによってPol Iを強制的に停止させます。TTF-Iは、転写産物解離因子PTRFとTリッチDNA配列の助けを借りて、Pol Iの転写終結と、DNAおよび新生転写産物からの解離を誘導します。rRNAの産生が高度に行われているときには、終結が律速段階であると考えられています。その後、TTF-IとPTRFは、同じrDNA遺伝子からの転写の再開始を間接的に促進します。出芽酵母のような生物では、この過程はより複雑であると考えられており、完全には解明されていません。

組換えホットスポット

組換えホットスポットとは、組換えが局所的に増加するDNA配列のことです。酵母のHOT1配列は、有糸分裂時の組換えホットスポットの最も良く研究されている例の一つです。HOT1配列には、Pol Iによる転写のプロモーターが含まれています。Pol Iに欠陥がある酵母の変異株では、HOT1の組換え促進活性が失われます。HOT1配列中のプロモーターに依存したPol I転写活性が、近傍での有糸分裂時の組換えのレベルを決定していると考えられています。

参考文献

(元の記事に記載されている参考文献)

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