プリンキピア

第15章遺伝子とタンパク質

Eukaryotic Elongation and Termination真核生物における伸長と終結

Following the formation of the preinitiation complex, the polymerase is released from the other transcription factors, and elongation is allowed to proceed as it does in prokaryotes with the polymerase synthesizing pre-mRNA in the 5' to 3' direction. As discussed previously, RNA polymerase II transcribes the major share of eukaryotic genes, so in this section we will focus on how this polymerase accomplishes elongation and termination.
英語のヒント
開始前複合体が形成されると、ポリメラーゼはほかの転写因子から離れ、原核生物の場合と同じように伸長が進む。ポリメラーゼは5′から3′の方向へpre-mRNAを合成する。すでに説明したように、RNAポリメラーゼIIは真核生物の遺伝子の大部分を転写する。そこでこの節では、このポリメラーゼが伸長と終結をどのように行うかに注目する。
Although the enzymatic process of elongation is essentially the same in eukaryotes and prokaryotes, the DNA template is considerably more complex. When eukaryotic cells are not dividing, their genes exist as a diffuse mass of DNA and proteins called chromatin. The DNA is tightly packaged around charged histone proteins at repeated intervals. These DNA–histone complexes, collectively called nucleosomes, are regularly spaced and include 146 nucleotides of DNA wound around eight histones like thread around a spool.
英語のヒント
伸長の酵素的な過程は、真核生物と原核生物で基本的に同じだが、DNA鋳型は真核生物のほうがはるかに複雑である。真核細胞が分裂していないとき、遺伝子はクロマチンという、DNAとタンパク質の広がった塊として存在する。DNAは、電荷をもつヒストンタンパク質に一定の間隔でしっかり巻きついている。ヌクレオソームと総称されるこれらのDNA–ヒストン複合体は、規則正しく並んでいる。各複合体には、糸巻きに巻かれた糸のように、8つのヒストンに巻きついた146ヌクレオチドのDNAが含まれる。
For polynucleotide synthesis to occur, the transcription machinery needs to move histones out of the way every time it encounters a nucleosome. This is accomplished by a special protein complex called FACT, which stands for “facilitates chromatin transcription.” This complex pulls histones away from the DNA template as the polymerase moves along it. Once the pre-mRNA is synthesized, the FACT complex replaces the histones to recreate the nucleosomes.
英語のヒント
ポリヌクレオチドを合成するには、転写装置はヌクレオソームに出会うたびに、ヒストンをどける必要がある。これを行うのが、FACTという特別なタンパク質複合体である。FACTは「クロマチンの転写を促進する」を意味するfacilitates chromatin transcriptionの略である。この複合体は、ポリメラーゼがDNA鋳型に沿って移動するとき、鋳型からヒストンを引き離す。pre-mRNAが合成されると、FACT複合体はヒストンを元に戻し、ヌクレオソームを再び作る。
The termination of transcription is different for the different polymerases. Unlike in prokaryotes, elongation by RNA polymerase II in eukaryotes takes place 1,000 to 2,000 nucleotides beyond the end of the gene being transcribed. This pre-mRNA tail is subsequently removed by cleavage during mRNA processing. On the other hand, RNA polymerases I and III require termination signals. Genes transcribed by RNA polymerase I contain a specific 18-nucleotide sequence that is recognized by a termination protein. The process of termination in RNA polymerase III involves an mRNA hairpin similar to rho-independent termination of transcription in prokaryotes.
英語のヒント
転写の終結は、ポリメラーゼごとに異なる。原核生物とは異なり、真核生物のRNAポリメラーゼIIによる伸長は、転写している遺伝子の末端を1,000〜2,000ヌクレオチド越えたところまで進む。このpre-mRNAの尾部は、その後のmRNA加工中に切断されて除去される。これに対し、RNAポリメラーゼIとIIIは終結シグナルを必要とする。RNAポリメラーゼIが転写する遺伝子には、終結タンパク質が認識する、特定の18ヌクレオチドの配列がある。RNAポリメラーゼIIIの終結過程には、原核生物のρ非依存的転写終結に似た、mRNAのヘアピンが関わる。

Section Summary節のまとめ

Transcription in eukaryotes involves one of three types of polymerases, depending on the gene being transcribed. RNA polymerase II transcribes all of the protein-coding genes, whereas RNA polymerase I transcribes the tandemly duplicated rRNA genes, and RNA polymerase III transcribes various small RNAs, like the 5S rRNA, tRNA, and small nuclear RNA genes. The initiation of transcription in eukaryotes involves the binding of several transcription factors to complex promoter sequences that are usually located upstream of the gene being copied. The mRNA is synthesized in the 5' to 3' direction, and the FACT complex moves and reassembles nucleosomes as the polymerase passes by. Whereas RNA polymerases I and III terminate transcription by protein- or RNA hairpin-dependent methods, RNA polymerase II transcribes for 1,000 or more nucleotides beyond the gene template and cleaves the excess during pre-mRNA processing.
英語のヒント
真核生物の転写には、転写する遺伝子に応じて、3種類のポリメラーゼのうち1つが関与する。RNAポリメラーゼIIはすべてのタンパク質コード遺伝子を転写する。RNAポリメラーゼIは縦列に重複したrRNA遺伝子を転写し、RNAポリメラーゼIIIは5S rRNA、tRNA、核内低分子RNAの遺伝子など、さまざまな小さいRNAを転写する。真核生物の転写開始には、複数の転写因子が複雑なプロモーター配列へ結合することが関わる。これらの配列は通常、コピーされる遺伝子の上流にある。mRNAは5′から3′の方向へ合成され、ポリメラーゼが通過するとき、FACT複合体がヌクレオソームを動かし、組み立て直す。RNAポリメラーゼIとIIIは、タンパク質またはRNAヘアピンに依存する方法で転写を終える。これに対し、RNAポリメラーゼIIは遺伝子鋳型を1,000ヌクレオチド以上越えて転写し、pre-mRNAの加工時に余分な部分を切り取る。

Visual Connection Questions図を使った問題

Exercises 13練習問題 13
Exercise 13問題 13
Figure 15.11 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?
図15.11 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。
Solution解き方
Figure 15.11 No. Prokaryotes use different promoters than eukaryotes.
図15.11 できない。原核生物が使うプロモーターは、真核生物とは異なる。

Review Questions確認問題

Exercises 14–16練習問題 14–16
Exercise 14問題 14
Which feature of promoters can be found in both prokaryotes and eukaryotes?
プロモーターの構成要素のうち、原核生物と真核生物の両方に見られるものはどれか。
  1. GC box
    GCボックス
  2. TATA box
    TATAボックス
  3. octamer box
    オクタマーボックス
  4. -10 and -35 sequences
    −10配列と−35配列
Solution解き方
B
B
Exercise 15問題 15
What transcripts will be most affected by low levels of α-amanitin?
低濃度のα-アマニチンによって、最も影響を受ける転写産物はどれか。
  1. 18S and 28S rRNAs
    18S rRNAと28S rRNA
  2. pre-mRNAs
    pre-mRNA
  3. 5S rRNAs and tRNAs
    5S rRNAとtRNA
  4. other small nuclear RNAs
    その他の核内低分子RNA
Solution解き方
B
B
Exercise 16問題 16
How do enhancers and promoters differ?
エンハンサーとプロモーターは、どのように異なるか。
  1. Enhancers bind transcription factors to silence gene expression, while promoters activate transcription.
    エンハンサーは転写因子と結合して遺伝子発現を抑制するが、プロモーターは転写を活性化する。
  2. Enhancers increase the efficiency of gene expression, but are not essential for transcription. Promoter recognition is essential to transcription initiation.
    エンハンサーは遺伝子発現の効率を高めるが、転写に必須ではない。プロモーターの認識は、転写開始に必須である。
  3. Promoters bind transcription factors to increase the efficiency of transcription. Enhancers bind RNA polymerases to initiate transcription.
    プロモーターは転写因子と結合して転写効率を高める。エンハンサーはRNAポリメラーゼと結合して転写を開始する。
  4. There is no difference. Both are transcription factor-binding sequences in DNA.
    違いはない。どちらもDNA中の、転写因子が結合する配列である。
Solution解き方
B
B

Critical Thinking Questions考察問題

Exercises 17練習問題 17
Exercise 17問題 17
A scientist observes that a cell has an RNA polymerase deficiency that prevents it from making proteins. Describe three additional observations that would together support the conclusion that a defect in RNA polymerase I activity, and not problems with the other polymerases, causes the defect.
英語のヒント
ある科学者が、RNAポリメラーゼの欠損によってタンパク質を作れなくなった細胞を観察した。ほかのポリメラーゼの問題ではなく、RNAポリメラーゼIの活性の異常が原因だという結論を、組み合わせることで支持できる追加の観察結果を3つ挙げなさい。
Solution解き方
To determine that a RNA polymerase I mutation or deficiency is causing the defect in protein production, the scientist would need to make observations that provide evidence that RNA polymerases II and III are working in the cell. The observations eliminating RNA polymerase II as the defect could include:
RNAポリメラーゼIの変異または欠損がタンパク質産生の異常を引き起こしていると判断するには、RNAポリメラーゼIIとIIIが細胞内で働いている証拠となる観察が必要である。RNAポリメラーゼIIを原因から除外する観察には、次のものがある。
  • Transcription of mRNAs in the nucleus;
    核内でmRNAが転写される。
  • Presence of processed mRNAs in the cytoplasm
    細胞質に、加工済みのmRNAが存在する。
The observations eliminating RNA polymerase III could include:
RNAポリメラーゼIIIを原因から除外する観察には、次のものがある。
  • Isolation of small nuclear RNAs from the cell;
    細胞から核内低分子RNAが単離される。
  • Isolation of microRNAs from the cell;
    細胞からマイクロRNAが単離される。
  • Transcription of 5S rRNA in the nucleus;
    核内で5S rRNAが転写される。
  • Presence of tRNAs in the cytoplasm
    細胞質にtRNAが存在する。
The observations implicating RNA polymerase I could include:
RNAポリメラーゼIの関与を示す観察には、次のものがある。
  • A lack of functional ribosomes in the cytoplasm (RNA polymerase I or III);
    細胞質に機能するリボソームがない（RNAポリメラーゼIまたはIII）。
  • A lack of RNA polymerase I protein;
    RNAポリメラーゼIタンパク質がない。
  • RNA polymerase I protein is non-functional
    RNAポリメラーゼIタンパク質が機能しない。
CAAT box
CAATボックス
(GGCCAATCT) essential eukaryotic promoter sequence involved in binding transcription factors
GGCCAATCTという、転写因子の結合に関わる、真核生物の必須のプロモーター配列。
FACT
FACT
complex that “facilitates chromatin transcription” by disassembling nucleosomes ahead of a transcribing RNA polymerase II and reassembling them after the polymerase passes by
転写中のRNAポリメラーゼIIの前方でヌクレオソームを分解し、ポリメラーゼの通過後に組み立て直すことで、「クロマチンの転写を促進する」複合体。
GC-rich box
GCリッチボックス
(GGCG) nonessential eukaryotic promoter sequence that binds cellular factors to increase the efficiency of transcription; may be present several times in a promoter
GGCGという、真核生物の必須ではないプロモーター配列。細胞内因子と結合して転写効率を高める。1つのプロモーターに複数存在することがある。
Octamer box
オクタマーボックス
(ATTTGCAT) nonessential eukaryotic promoter sequence that binds cellular factors to increase the efficiency of transcription; may be present several times in a promoter
ATTTGCATという、真核生物の必須ではないプロモーター配列。細胞内因子と結合して転写効率を高める。1つのプロモーターに複数存在することがある。
preinitiation complex
開始前複合体
cluster of transcription factors and other proteins that recruit RNA polymerase II for transcription of a DNA template
DNA鋳型の転写のためにRNAポリメラーゼIIを呼び込む、転写因子とその他のタンパク質の集合体。
small nuclear RNA
核内低分子RNA
molecules synthesized by RNA polymerase III that have a variety of functions, including splicing pre-mRNAs and regulating transcription factors
RNAポリメラーゼIIIによって合成され、pre-mRNAのスプライシングや転写因子の調節など、さまざまな機能をもつ分子。