やぶにらみ生物論５２： 転写１

Ｎｏ．４６：リボソームですでに述べたように、１９６０年頃にはすでにリボソームがタンパク質の製造工場であることはコンセンサスになっていました。トランスファーＲＮＡ（ｔＲＮＡ）の役割もわかってきていました。すなわちリボソームに存在するＲＮＡの情報に基づいて、アンチコドンを持ちアミノ酸を運ぶ ｔＲＮＡが、順次リボソームにアクセスすることによって、タンパク質が合成されることになります。

しかし当初リボソームが持つＲＮＡは、それぞれのリボソームに特異的であり、そのリボソームがそれぞれ別々のタンパク質を合成するという考え方が一般的でした。ですからこの頃にはまだメッセンジャーＲＮＡ（ｍＲＮＡ）という概念はありませんでした。４４：メッセンジャーＲＮＡで、ブレナー・ジャコブ・メセルソンがＤＮＡからリボソームに情報を運ぶ不安定なＲＮＡが存在することを示唆する研究を行ったことを述べましたが、この１９６１年の研究を出発点としてＤＮＡからｍＲＮＡを合成するメカニズムの研究が進展しました。ＤＮＡを鋳型としてｍＲＮＡが合成されるプロセスを転写（transcription) といいます。

ただ彼らの実験でｍＲＮＡの構造と機能が明らかになったわけではなく、あくまでもこれは端緒にすぎません。マシュー・コブ は「誰がｍＲＮＡを発見したのか？」という科学エッセイを発表していますが（１）、どうも明快な結論はないようです。ニレンバーグとレダーは大腸菌の無細胞系（大腸菌をすりつぶした抽出液）に、ポリＵを入れるとフェニルアラニンがタンパク質にとりこまれることを証明しましたが、このポリＵはまさしくｍＲＮＡなわけで、ニレンバーグとレダーが発見者という見方もできます。

また後にニレンバーグとマタイは大腸菌の無細胞系にさまざまなポリリボヌクレオチドを投入して、タンパク質合成がこれらのポリリボヌクレオチドに依存していることをみています（２）。コブはブレナーらの実験と共にこの仕事を重視しています。

アヴィヴとレダーの実験も完成品の美しさがあります。彼らはうさぎのグロビン（ヘモグロビンを構成するタンパク質）のｍＲＮＡをオリゴｄＴセルロース法という方法を使って精製し、がん細胞をすりつぶした抽出液の無細胞系で、うさぎのグロビンを合成することに成功しています（３）。

大腸菌の無細胞系とファージを使った実験というのはユニバーサリティに欠けると思います。ファージは生物ではありませんしね。グロビンｍＲＮＡの実験を行ったフィリップ・レダー（図１、1934～）は、ニレンバーグと共にコドンの最初の解読者であり、ｍＲＮＡの機能を確定し、グロビンの遺伝子が分断されていることをも発見した（４）という卓越した業績の研究者であるにもかかわらず、ノーベル賞は授与されていません。遺伝子の分断の件でも。ファージのグループが受賞して彼ははずされました。全く理不尽なことだと思います。

リボソームＲＮＡ（ｒＲＮＡ）やトランスファーＲＮＡ（ｔＲＮＡ）が安定な物質であるのに対して、メッセンジャーＲＮＡ（ｍＲＮＡ）は壊れやすい不安定な物質です。ｒＲＮＡ・ｔＲＮＡはハウスキーピングないつも必要なものであるのに対して、ｍＲＮＡは必要なときだけにあればよいものだという意味で、この違いは合理的です。たとえばラクトースが周りに豊富にあるときには、大腸菌はラクトース分解系のタンパク質をコードするｍＲＮＡが必要ですが、ラクトースがなくなれば必要ありません。ジャコブとモノーは、リプレッサーが通常はオペレーター領域に結合していて、ラクトースの存在によってリプレッサーとＤＮＡの結合が解かれ、ＲＮＡ合成がはじまることを示しましたが、これは最も単純な例であって、実際のＲＮＡ合成の制御機構ははるかに複雑を極めるものです。

ＤＮＡを複製するのはＤＮＡポリメラーゼであるのに対して、ＤＮＡを鋳型としてＲＮＡを合成するのがＲＮＡポリメラーゼです。ＤＮＡポリメラーゼが dATP, dTTP, dGTP, dCTP を基質とするのに対して、ＲＮＡポリメラーゼは ATP, UTP, GTP, CTP を基質とします。ＤＮＡポリメラーゼが 3'OH を起点として必要とするのに対して、ＲＮＡポリメラーゼは必要としません。ですからＲＮＡポリメラーゼはＲＮＡ合成をはじめる基点を他の因子に決めてもらう必要があります。ＤＮＡポリメラーゼには多くの種類がありますが、ＲＮＡポリメラーゼは特殊なものを除いて細菌では１種類、真核生物では３種類しかありません。真核生物の３種類とそれぞれの役割は、ＲＮＡポリメラーゼ I：ｒＲＮＡの合成、ＲＮＡポリメラーゼII：ｍＲＮＡの合成、ＲＮＡポリメラーゼIII：ｔＲＮＡと一部のｒＲＮＡの合成となっていて、さまざまなＲＮＡを分業で合成しています。

まず大腸菌のＲＮＡポリメラーゼについてみていきましょう（図２）。ＲＮＡポリメラーゼのコア酵素は５つのサブユニット（α、α、β、β’、ω）からなり、転写を開始する際にはσ因子が結合してホロ酵素の状態になります。σ因子が転写を開始する位置を指定します。細菌の場合、転写を開始する位置から上流側（鋳型鎖の３’側）に１０ヌクレオチドおよび３５ヌクレオチドあたりにσ因子と親和性の高い塩基配列（プロモーター配列）があり、σ因子はこのふたつのサイト周辺の塩基配列を認識してＤＮＡと結合し、ＲＮＡポリメラーゼが転写を始める位置を指定します。このふたつのプロモーターサイトは－３５領域、－１０領域と呼ばれます。

プロモーター配列は厳密に決まっているわけではなく、一例を挙げれば TGTTGACA（－３５領域）、TATAAT（－１０領域）などがあります。これらにσ因子が結合することによってＲＮＡポリメラーゼと隣接ＤＮＡの立体構造が変化して、閉じられていたＤＮＡの２重鎖が開いて、鋳型鎖の情報をＲＮＡポリメラーゼが読み取ることができる状況になります。そしてＲＮＡポリメラーゼは＋１の位置から転写を開始します（図３）。もちろんこのときリプレッサーはＤＮＡからはずれていなければなりません。

大腸菌は７種類のσ因子を持っていることが知られており、分子量に応じて分類されています（例えば分子量約７万のものはσ７０）。
σ１９、σ２４、σ２８、σ３２，σ３８、σ５４、σ７０のうち、通常はσ７０が使われています。σ２８は鞭毛専用。ヒートショックを受けた場合はσ２４・σ３２、飢餓の場合はσ３８など用途や状況によって使い分けているようです（５）。それぞれのσ因子によって、当然親和性の高いＤＮＡ塩基配列も異なります。単細胞の細菌でも７種類の転写部位を指定する因子があるわけですが、真核生物の場合このような細菌のやり方を拡張し、非常に複雑な転写指定を行うことによって細胞の多彩なニーズに対応するように進化しました。これについては後程述べます。

σ因子のはららきで転写を開始したＲＮＡポリメラーゼですが、では転写を終結する位置はどのように指定されているのでしょうか？　これには２つの方法があって、ρ因子依存性と非依存性と呼ばれています（６）。ρ因子は図４Ａのように６個のρタンパク質がドーナツのように集合した因子で、Cが多い rut site という配列を認識してＤＮＡに結合し転写を終結させます。ただし詳しいメカニズムはわかっていないようです。ρ因子非依存性の終結メカニズムは、転写されたｍＲＮＡがヘアピンのような構造をとることがポイントです。このような部分的二重鎖をつくるために、ＤＮＡおよびｍＲＮＡの一部に回文構造（パリンドローム）が形成されています。回文とは「竹藪焼けた」のように前から読んでも後ろから読んでも同じと言う文章ですが、塩基配列でこのようになっている部分（図４Ｂ赤線）がなっていない部分を挟んで存在すると、図４Ｂ右側の図のようにヘアピン構造を形成します。

ヘアピン構造のあとにＵＵＵＵＵＵＵＵという配列がありますが、このような場合ＤＮＡとｍＲＮＡの親和性が弱いことがわかっており、転写終結後、ｍＲＮＡがＤＮＡから離れるために有効であると考えられています。ここで述べてきたのは細菌の転写機構のお話です。真核生物については次の稿で。

参照：

１） Matthew Cobb, Who discovered messenger RNA?,  Current Biology 25, R523-R532 (2015)

２） M.W. Nirenberg  and J.H. Matthaei, The dependence of cell-free protein synthesis in E. Coli upon naturally occurring or synthetic polyribonucleotides. Proc Natl Acad Sci USA vol.47, pp.1588-1602 (1961)

３） H. Aviv and P. Leder, Purification of biologically active globin messenger RNA by chromatography of oligothymidylic acid-cellulose. Proc Natl Acad Sci USA vol.69, pp.1408-1412 (1972)

４）Konkel DA, Tilghman SM, Leder P. The sequence of the chromosomal mouse β-globin major gene: Homologies in capping, splicingand poly(A) sites. Cell vol.15: pp. 1125–1132.　(1978)

５） https://en.wikipedia.org/wiki/Sigma_factor

６） J.D. Watson et al. Molecular Biology of the Gene 6th edn. pp.394-395 (2008)