第15章遺伝子とタンパク質

RNA Polymerase II Promoters and Transcription FactorsRNAポリメラーゼIIのプロモーターと転写因子

Eukaryotic promoters are much larger and more intricate than prokaryotic promoters. However, both have a sequence similar to the -10 sequence of prokaryotes. In eukaryotes, this sequence is called the TATA box, and has the consensus sequence TATAAA on the coding strand. It is located at -25 to -35 bases relative to the initiation (+1) site (Figure 15.10). This sequence is not identical to the E. coli -10 box, but it conserves the A–T rich element. The thermostability of A–T bonds is low and this helps the DNA template to locally unwind in preparation for transcription.

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真核生物のプロモーターは、原核生物のものよりはるかに大きく複雑である。ただし、どちらにも原核生物の−10配列に似た配列がある。真核生物ではこれをTATAボックスと呼び、コード鎖上の共通配列はTATAAAである。開始部位（+1）を基準に、−25〜−35塩基の位置にある（図15.10）。この配列は大腸菌の−10ボックスと同一ではないが、A–Tに富む要素は保存されている。A–T結合は熱的安定性が低く、転写の準備としてDNA鋳型を局所的にほどくのに役立つ。

Instead of the simple σ factor that helps bind the prokaryotic RNA polymerase to its promoter, eukaryotes assemble a complex of transcription factors required to recruit RNA polymerase II to a protein coding gene. Transcription factors that bind to the promoter are called basal transcription factors. These basal factors are all called TFII (for Transcription Factor/polymerase II) plus an additional letter (A-J). The core complex is TFIID, which includes a TATA-binding protein (TBP). The other transcription factors systematically fall into place on the DNA template, with each one further stabilizing the pre-initiation complex and contributing to the recruitment of RNA polymerase II.

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原核生物では、単純なσ因子がRNAポリメラーゼをプロモーターに結合させるのを助ける。一方、真核生物は、RNAポリメラーゼIIをタンパク質コード遺伝子へ呼び込むために必要な、転写因子の複合体を組み立てる。プロモーターに結合する転写因子を、基本転写因子という。基本転写因子はすべて、TFII（Transcription Factor/polymerase IIの略）に、A〜Jの追加の文字を付けて呼ばれる。中心となる複合体はTFIIDであり、TATA結合タンパク質（TBP）を含む。ほかの転写因子は、DNA鋳型上に順序よく収まっていく。それぞれが開始前複合体をさらに安定化し、RNAポリメラーゼIIの呼込みに寄与する。

OpenStax, Rice University; Biology 2e. · CC BY 4.0 · Source出典

Figure 15.10図 15.10

A generalized promoter of a gene transcribed by RNA polymerase II is shown. Transcription factors recognize the promoter. RNA polymerase II then binds and forms the transcription initiation complex.

RNAポリメラーゼIIによって転写される遺伝子の、一般的なプロモーターを示す。転写因子がプロモーターを認識する。その後、RNAポリメラーゼIIが結合し、転写開始複合体を形成する。

A scientist splices a eukaryotic promoter in front of a bacterial gene and inserts the gene in a bacterial chromosome. Would you expect the bacteria to transcribe the gene?

ある科学者が、細菌遺伝子の前に真核生物のプロモーターをつなぎ、この遺伝子を細菌の染色体に挿入した。この細菌は、その遺伝子を転写すると予想できるか。

Some eukaryotic promoters also have a conserved CAAT box (GGCCAATCT) at approximately -80. Further upstream of the TATA box, eukaryotic promoters may also contain one or more GC-rich boxes (GGCG) or octamer boxes (ATTTGCAT). These elements bind cellular factors that increase the efficiency of transcription initiation and are often identified in more “active” genes that are constantly being expressed by the cell.

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真核生物のプロモーターの一部には、約−80の位置に、保存されたCAATボックス（GGCCAATCT）もある。TATAボックスのさらに上流には、GCに富むボックス（GGCG）やオクタマーボックス（ATTTGCAT）が、1つ以上存在することもある。これらの要素は、転写開始の効率を高める細胞内因子と結合する。細胞が絶えず発現させている、より「活発な」遺伝子によく見られる。

Basal transcription factors are crucial in the formation of a preinitiation complex on the DNA template that subsequently recruits RNA polymerase II for transcription initiation. The complexity of eukaryotic transcription does not end with the polymerases and promoters. An army of other transcription factors, which bind to upstream enhancers and silencers, also help to regulate the frequency with which pre-mRNA is synthesized from a gene. Enhancers and silencers affect the efficiency of transcription but are not necessary for transcription to proceed.

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基本転写因子は、DNA鋳型上に開始前複合体を形成するうえで不可欠である。この複合体は、その後、転写開始のためにRNAポリメラーゼIIを呼び込む。真核生物の転写の複雑さは、ポリメラーゼとプロモーターだけでは終わらない。ほかにも多数の転写因子があり、上流のエンハンサーやサイレンサーに結合して、遺伝子からpre-mRNAが合成される頻度の調節を助ける。エンハンサーとサイレンサーは転写の効率に影響するが、転写が進むために必須というわけではない。

Promoter Structures for RNA Polymerases I and IIIRNAポリメラーゼIとIIIのプロモーター構造

The processes of bringing RNA polymerases I and III to the DNA template involve slightly less complex collections of transcription factors, but the general theme is the same.

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RNAポリメラーゼIとIIIをDNA鋳型へ導く過程には、やや複雑さの少ない転写因子群が関与するが、基本的な仕組みは同じである。

The conserved promoter elements for genes transcribed by polymerases I and III differ from those transcribed by RNA polymerase II. RNA polymerase I transcribes genes that have two GC-rich promoter sequences in the -45 to +20 region. These sequences alone are sufficient for transcription initiation to occur, but promoters with additional sequences in the region from -180 to -105 upstream of the initiation site will further enhance initiation. Genes that are transcribed by RNA polymerase III have upstream promoters or promoters that occur within the genes themselves.

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ポリメラーゼIとIIIによって転写される遺伝子の、保存されたプロモーター要素は、RNAポリメラーゼIIによって転写されるものとは異なる。RNAポリメラーゼIは、−45〜+20の領域にGCに富むプロモーター配列を2つもつ遺伝子を転写する。これらの配列だけで転写開始には十分である。しかし、開始部位より上流の−180〜−105の領域に追加の配列をもつプロモーターでは、開始がさらに促進される。RNAポリメラーゼIIIによって転写される遺伝子には、上流のプロモーター、または遺伝子自体の内部にあるプロモーターがある。

Eukaryotic transcription is a tightly regulated process that requires a variety of proteins to interact with each other and with the DNA strand. Although the process of transcription in eukaryotes involves a greater metabolic investment than in prokaryotes, it ensures that the cell transcribes precisely the pre-mRNAs that it needs for protein synthesis.

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真核生物の転写は厳密に調節された過程であり、さまざまなタンパク質が互いに、またDNA鎖と相互作用する必要がある。真核生物の転写には、原核生物より大きな代謝上の負担がかかるが、そのおかげで細胞は、タンパク質合成に必要なpre-mRNAだけを正確に転写できる。

The Evolution of Promotersプロモーターの進化

The evolution of genes may be a familiar concept. Mutations can occur in genes during DNA replication, and the result may or may not be beneficial to the cell. By altering an enzyme, structural protein, or some other factor, the process of mutation can transform functions or physical features. However, eukaryotic promoters and other gene regulatory sequences may evolve as well. For instance, consider a gene that, over many generations, becomes more valuable to the cell. Maybe the gene encodes a structural protein that the cell needs to synthesize in abundance for a certain function. If this is the case, it would be beneficial to the cell for that gene’s promoter to recruit transcription factors more efficiently and increase gene expression.

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遺伝子の進化は、なじみのある概念かもしれない。DNA複製中に遺伝子に変異が起こることがあり、その結果は細胞に有益なことも、有益でないこともある。酵素、構造タンパク質、その他の因子を変えることで、変異の過程は機能や身体的特徴を変化させうる。しかし、真核生物のプロモーターやその他の遺伝子調節配列も、進化しうる。たとえば、多くの世代を通じて、細胞にとっての価値が高くなる遺伝子を考えよう。その遺伝子は、ある機能のために細胞が大量に合成する必要のある、構造タンパク質をコードしているのかもしれない。そうであれば、その遺伝子のプロモーターが転写因子をより効率よく呼び込み、遺伝子発現を増やすことは、細胞にとって有益となる。

Scientists examining the evolution of promoter sequences have reported varying results. In part, this is because it is difficult to infer exactly where a eukaryotic promoter begins and ends. Some promoters occur within genes; others are located very far upstream, or even downstream, of the genes they are regulating. However, when researchers limited their examination to human core promoter sequences that were defined experimentally as sequences that bind the preinitiation complex, they found that promoters evolve even faster than protein-coding genes.

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プロモーター配列の進化を調べる科学者たちは、さまざまな結果を報告してきた。その一因は、真核生物のプロモーターが正確にどこから始まり、どこで終わるのかを推定しにくいことである。遺伝子の内部にあるプロモーターもあれば、調節する遺伝子からはるか上流、あるいは下流にあるものもある。しかし、開始前複合体が結合する配列として実験的に定義された、ヒトのコアプロモーター配列に対象を限って調べたところ、プロモーターはタンパク質コード遺伝子よりも速く進化することがわかった。

It is still unclear how promoter evolution might correspond to the evolution of humans or other complex organisms. However, the evolution of a promoter to effectively make more or less of a given gene product is an intriguing alternative to the evolution of the genes themselves. H Liang et al., “Fast evolution of core promoters in primate genomes,” Molecular Biology and Evolution 25 (2008): 1239–44.

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プロモーターの進化が、ヒトやその他の複雑な生物の進化とどのように対応するかは、まだ明らかではない。しかし、ある遺伝子産物を効果的に多く、または少なく作るようにプロモーターが進化することは、遺伝子そのものの進化とは別の、興味深い可能性である。H Liang et al., “Fast evolution of core promoters in primate genomes,” Molecular Biology and Evolution 25 (2008): 1239–44。