転写 (生物学)

転写（てんしゃ、Transcription）とは、一般にゲノムDNAの塩基配列情報を元にmRNAを合成するための過程を指す。より正確には、遺伝子の発現のために核酸を鋳型にRNA(転写産物transcription product )が合成されることをいう。遺伝子が機能するための過程（遺伝子発現）の一つであり、セントラルドグマの最初の段階にあたる。

概要

転写中のDNAとRNAの電子顕微鏡写真。DNAの周りに薄く広がるのが合成途中のRNA（多数のRNAが同時に転写されているため帯状に見える）。RNAポリメラーゼはDNA上をBeginからEndにかけて移動しながらDNAの情報をRNAに写し取っていく。Beginではまだ転写が開始された直後なため個々のRNA鎖が短く、帯の幅が狭く見えるが、End付近では転写がかなり進行しているため個々のRNA鎖が長く（帯の幅が広く）なっている

生物はその体の中で常におびただしい種類の化学反応と化合物を充満させ、管理することで生命を維持している。その管理のカギの一つがタンパク質合成に必要な遺伝情報である。遺伝情報はDNAによる塩基配列(遺伝子)という物質的な形で保存されており、遺伝情報は特定のタンパク質に対応する。遺伝情報から対応する蛋白質を合成することをその遺伝子を発現expression するという。タンパク質の合成には遺伝情報に基づいて作るmRNAを使用する。このため、遺伝情報の発現には、まずはRNAポリメラーゼによりDNAの持つ情報をmRNAに写し取る必要がある。このmRNAの合成過程の第一段階が転写であり、乱暴な言い方をすれば遺伝子発現のために遺伝情報から直接化合物を合成することである。

より正確には、遺伝子の発現のために核酸 (DNA, RNA) を鋳型として相補的なRNAを合成すること全般を意味する。このため、mRNAだけでなく、例えばtRNAといったほかのRNAを合成することも転写といわれる。RNAウイルスは、DNAから行われる通常の転写とは異なりRNAに遺伝情報を記録し、RNAからmRNA合成を行うが、これも転写の範疇に含まれる。ただし、核酸から核酸への合成はほかに複製過程でも行われるが、これは生成物がDNAであり、遺伝子の発現に直接関わってもいないため転写と異なる。mRNAからDNAを合成する反応は逆転写と呼ぶ。

転写も含めたmRNAの合成過程は生物によって異なる。原核生物では転写産物transcription product がmRNAであり、mRNAの合成は転写で完結する。一方、真核生物の場合、一次転写物primary transcript はmRNA前駆体と呼ばれ、さらにmRNA前駆体がスプライシング、5' 末端や3'末端の修飾等を受けた後に成熟mRNAとなる。

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。

転写の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。真正細菌は細胞質中で転写を行い、転写機構も単純である。一方、真核生物は、転写を細胞核内でのみ行い、多数の酵素が関る複雑な機構を使っている。最後の古細菌は、細胞質中で転写を行う点は真正細菌と同じだが、転写機構そのものは真核生物に類似している。

一般の転写の機構

上の概要で説明したように、転写とは転写産物を合成する過程である。この転写産物は、二本鎖DNA(二重螺旋構造をしているDNA全体または部分)の二本のDNAのうち片方(鋳型鎖template strand またはアンチセンス鎖antisense strand ；(－)鎖)と相補的である。すなわち、転写産物の塩基配列はもう片方(コード鎖coding strand またはセンス鎖sense strand ；(+)鎖)と同じである。DNA上のどこからどこまでを転写の対象とするかは決まっており、この範囲を転写単位とし、オペロンoperon という。細菌のDNAには数百のオペロンがあり、真核細胞では数千のオペロンを持つ。二本鎖DNAのどちらが(＋)鎖または(－)鎖になるかはオペロンによって決まっている。転写を実行する酵素はDNA依存性RNAポリメラーゼDNA-dependent RNA polymerase である。転写には次の4段階がある。

1. RNAポリメラーゼが、DNA分子の特定部位(プロモーター内の特定部位。オペロンの5'末端である)にゆるく結合する。これにより、DNA分子の二重鎖が開く。このとき、DNAと結合したRNAポリメラーゼを転写複合体という。これより先は、転写複合体が5'から3'へと移動する。
2. 転写複合体は、(プロモーター内の)結合部位に進むと、DNA分子と強く結合する。
3. さらに進んで開始部位まで来ると転写複合体は、片方の鎖を利用してRNAを合成する。具体的には、DNA鎖の塩基と相補性のある塩基のヌクレオチド三リン酸を次々と連結している。この時、ピロリン酸は遊離するためRNA鎖が出来上がる。
4. 上の段階が進むと、先に作られたRNA部位はDNAから離れる。RNA鎖がDNAから完全に分離すると、それが転写産物であり、転写の終結である。

1.と2.の段階を開始段階、3.の段階を伸長段階、4.の段階を終結段階という。

開始段階

転写における開始段階とは、転写複合体の組み立てと、次の段階で伸長させるRNA鎖の合成を行う段階である。この段階はオペロンの5'末端で行われ、この領域をプロモーターpromoter という。転写の始まりは1個以上のタンパク質因子(DNA結合タンパク質)がプロモーターとRNAポリメラーゼの両方に結合したときである。これらDNA結合タンパク質は、RNAポリメラーゼをプロモーターに引き寄せる働きがある。こうしてDNAと結合したDNA結合タンパク質とRNAポリメラーゼ複合体は転写複合体と呼ばれる。この段階における転写複合体の役割は、二本鎖DNAを二本の一本鎖DNAに分解すること(巻き戻し)と短いRNA鎖(プライマー)の合成である。

巻き戻しは転写複合体の異性化反応によって引き起こされる。転写複合体が形成された当初は、プロモーターは二重螺旋を構成している。このときの転写複合体は閉鎖型複合体;PR_c であるという。RNAポリメラーゼは異性化反応を触媒し、18bpに及ぶプロモーターを含んだ二重螺旋を解く。このときの転写複合体を開鎖複合体;PR₀ であるといい、転写複合体中の緩んだDNA領域を転写バブルという。

真正細菌の転写

真正細菌における転写機構は大腸菌において特に良く調べられている。基本的な機構は他の生物でも同じであるが、細部には違いが見られる。真核生物でも基本は同じであるものの、構造はかなり複雑化している。

真正細菌の転写開始

大腸菌における転写の開始部位は遺伝子配列の上流に存在するプロモーター配列によって決定される。

プロモーター配列と遺伝子との位置関係はよく研究されており、

• -35ボックス：遺伝子の転写開始配列より35塩基対上流
• -10ボックス：遺伝子の転写開始配列より10塩基対上流（別名、Pribnowボックス）

といわれている。

プロモーター配列と転写開始位置の位置関係

  上流 　　　　プロモーター 　　　　　　　　　　　　mRNAに転写される領域 　　　　　　　　　　　　下流
 5'----------|-35|---------|-10|----------------------|T|------------3'
 3'----------|-35|---------|-10|----------------------|T|------------5'
 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　|転写
 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　|--------------------->
  　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　mRNA
  T; ターミネーター
-10; -10ボックス
-35; -35ボックス

これらの配列は厳密に固定しており、

• -35ボックス：5'-TTGACA-3'
• -10ボックス：5'-TATAAT-3'

であることがわかっている。

プロモーター領域の構造

 　-35ボックス 　　　　　　-10ボックス
5'--TTGACA--|17bp|--TATAAT--|7bp|--|-----------3'
 ^
 転写開始位置
bp; base pair(塩基対)

これらのプロモーター配列がRNAポリメラーゼホロ酵素のσサブユニットによって認識され、DNAとRNAポリメラーゼの結合した『クローズドプロモーター複合体』が形成される。その後、DNAの塩基対同士の結合が外され『オープンプロモーター複合体』となり、σサブユニットが外れてβサブユニットによってリボヌクレオチドが2個、先駆的にDNA鋳型鎖と結合される。

転写が開始する部位は遺伝子そのものの開始点よりも上流である（転写開始部位は『+1』と呼ばれる）。つまり、転写されるmRNAは遺伝子そのものよりも5'側に長く、この部分を『リーダーセグメント』と呼ぶ。

真正細菌の転写伸長

RNAポリメラーゼのコア酵素は5'→3'方向にmRNAを合成する。その際、鋳型鎖に相補的なリボヌクレオチドを結合させていく。RNAポリメラーゼが結合している鋳型DNAは塩基対の結合が外れており、1部分が一本鎖状になっている。

RNAポリメラーゼの伸長速度や発生トルクは一分子観測の技術を用いて正確に測定されている。結果、RNAポリメラーゼの伸長速度は一定ではないことがわかってきている。

真正細菌の転写終結

RNAポリメラーゼがmRNA内の遺伝子配列の転写を終えても反応は終わらず、遺伝子配列の更に下流に存在する『逆方向反復配列』といわれる配列まで転写がなされる。逆方向反復配列が転写されると、mRNAの相補塩基同士が結合して『ステムループ構造』と呼ばれる構造を作る。この配列まで転写された後、終結に向かう。終結には2つの方法が大腸菌ではとられている。

• ρ非依存性終結
• ρ依存性終結

ρ非依存性終結では、mRNAの3'末端側に連続したDNAとのA-U塩基対が作成され、その結合の弱さから自然にmRNAがDNAから離れていく。同時にコア酵素もゲノムDNAから離脱する。

一方ρ依存性終結ではρ因子というタンパク質がステムループ構造の5'側に結合し、mRNAと鋳型DNAの塩基対を破壊して転写が終結する。

mRNAは3'側にも遺伝子配列そのものよりも長い配列を持っており、この配列をのことを『トレイラーセグメント』と呼ぶ。転写の終結したmRNAは、輸送や修飾などは特に行なわれず、すぐに翻訳過程に向かう。一方真核生物ではスプライシング反応、ポリA鎖やCAP構造の付属など、様々な修飾を受けて翻訳に向かう。

真核生物の場合

真核生物の場合、真正細菌プロモーターの-10領域に相当する、5'-TATAAA-3'の共通配列を持つ領域（TATAボックス、あるいは、ゴールドバーグ・ホグネスボックス (Goldberg-Hogness box) と呼ばれる）が-25あるいはさらに上流に存在する。転写開始位置はこのTATAボックスが主となって決定している。

この他、-100～-60の範囲に存在する5'-CCAAT-3'の共通配列を持つ領域（CAATボックスと呼ばれる）や、-60～-40の範囲に存在する5'-GGCGGG-3'の共通配列を持つ領域（GCボックスと呼ばれる）がよく知られているが、これらは転写の促進に働いていると考えられている。

真核生物の場合、RNAポリメラーゼには3つの種類があり、それぞれPol I,Pol II,Pol IIIと呼ばれている。それぞれ、転写開始に必要となる因子、プロモーター領域の配列、転写の様式が異なっている。大部分の遺伝子は転写をPol IIに依存しているが、rRNAはPol Iに、tRNAはPol IIIに依存している。

Pol I系遺伝子(rRNA)における転写の開始

RNAポリメラーゼIによる転写においては、プロモーターは、-200〜-65の範囲に存在する上流制御要素(UCE; upstream controling element)と呼ばれる領域と、-45〜+20の範囲に存在するTATAボックスを含むコアプロモーター(CPE; core promoter element)と呼ばれる領域の二つの部分からなる。

転写に関与する因子としては、

• UBF:UCE結合因子
• SL1

の二つが知られている。UBFはUCEに結合し、SL1のTATAボックスへの結合を促進すると言われている。SL1はCPEへの弱い結合能を示すが、転写の開始において必須である。SL1はまた、Pol Iとも会合する。

SL1は更に、

• TBP:TATA結合蛋白質
• TAF:Pol I会合因子
  • TAF_I 110
  • TAF_I 68
  • TAF_I 48

といったの因子の複合体となっている。

また、転写伸長に関わる因子として、

• TIF-1C

も知られている。

Pol II系遺伝子（構造遺伝子など大部分の遺伝子）における転写の開始

RNAポリメラーゼIIによる転写に必要な酵素以外の基本転写因子蛋白質をTFII (Transcription Factor for Pol II) シリーズと呼び、現在、

• TFIIA: TFIIDのDNAへの結合を促進
• TFIIB: TFIIDとともに転写の最小開始複合体形成に参加
• TFIID: プロモーター領域を認識し、TATAボックスに結合
• TFIIE: TFIIHの制御
• TFIIF: Pol IIと結合。Pol IIの転写開始複合体参加に必須
• TFIIH: DNA依存ATPase。Pol IIをリン酸化し変化させ、転写開始複合体から各因子を遊離させる
• TFII-I:

の七種類が知られている。

また、転写開始後、RNA伸長を促進する因子として、

• TFIIS

も存在する。

転写開始への流れとしては、

• プロモーター領域（TATAボックス近辺）にTFIIAが結合
• TATAボックスにTFIIDが結合、TFIIAと複合体を形成
• TFIIA-TFIID-DNA複合体にTFIIBが結合
• RNAポリメラーゼII(Pol II)にTFIIFが結合
• TFIIF-Pol II複合体にTFIIEが結合
• TFIIF-TFIIE-Pol II複合体にTFIIHが結合
• TFIIF-TFIIE-TFIIH-Pol II複合体がTFIIA-TFIID-TFIIB-DNA複合体と結合
• TFIIHの作用によりPol IIがリン酸化される
• Pol II変形
• TFIIHの作用により、転写開始複合体はTFIIA-TFIID-TFIIB複合体とTFIIF-Pol II複合体に分離される。この際、TFIIE, TFIIHは放出される。（プロモータークリアランスという）
• TFIIF-PolII-DNA複合体にTFIISが結合する
• RNAの転写が進行する

となっている。

TATAボックスは、コアプロモーターエレメント（CPE; core promoter element、コアプロモーター要素、時にcore promoter motifとも呼ばれる）の1つである。

コアプロモーター (core promoter) とは、正確な転写開始を導く働きをもつプロモーター領域のことであり、一般に転写開始点を含む±35塩基ほどの長さの領域を含むが、多くの例から、約40塩基の領域から構成されていると考えられている。コアプロモーターの中には幾つかのシーケンスモチーフが存在し、これをコアプロモーターエレメントと呼ぶ。

コアプロモーターエレメントは、すべてのコアプロモーターに普遍的に存在するものではない。むしろ、個々のコアプロモーターの特異性を与えるものである。教科書等を見ると、TATAボックスが全ての遺伝子のコアプロモーターに存在しているような印象を受けるが、実際は違い、例えば酵母に関する最近の研究においては、TATA-containing core promoter（TATAボックスを含むコアプロモーター）は、わずか約19％であったと報告している。

-2～+4の範囲に存在するイニシエーターエレメント（Inr; initiator, PyPyAN^T/_APyPy, Aが転写開始位置になる）もコアプロモーターエレメントである。Inrの認識はTFIIDによっておこなわれる。このほかに、DPE (downstream core promoter element)、MTE (motif ten element) が発見されている。

Pol III系遺伝子 (tRNA) における転写の開始

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。

古細菌の場合

古細菌における転写は基本的には真核生物のものを簡単にしたものと考えてよい。転写開始位置付近には真核生物とほぼ同じ位置にBRE、TATAボックス、イニシエーターエレメントなどが配置されている。TATAボックスにRNAポリメラーゼ、TFIIB、TFIID、TFIIEより成る複合体が形成され（TFIIA、TFIIF、TFIIHは見つかっていない）、これらを足掛かりにRNAポリメラーゼが転写を開始する。TFIISも存在する。詳細は#Pol II系遺伝子参照。

転写因子

転写因子は転写そのものに関わる基本転写因子と、転写の調節を行う転写調節因子（--制御因子）がある。前者はRNAポリメラーゼ複合体やTATA結合タンパク質などが含まれる。転写開始後の伸長反応に機能する転写伸長因子を含むこともある。後者は転写制御配列のDNAに結合し、基本転写因子の活性を制御する特異的転写因子が含まれる。直接 DNA には結合せずクロマチンの構造変換を行うヒストン修飾酵素やクロマチン再構成因子を含むこともある。

基本転写因子

真核生物の転写装置（RNAポリメラーゼ）は、Pol I、Pol II、Pol IIIの3種がある。それぞれ10種類以上ものサブユニットから構成される（基本的には12種）。また、古細菌のRNAポリメラーゼもサブユニット数が多く、9-14種のサブユニットから構成されている。ユリアーキオータではいくつかのサブユニットが省かれているが、一部のクレンアーキオータには真核生物の12種類のサブユニットが全て保存されており、真核生物の持つ3種のRNAポリメラーゼの祖先型と考えられている。古細菌のRNAポリメラーゼは、Aサブユニットが2つに分かれている特徴がある。

一方で、真正細菌のRNAポリメラーゼは全体的に真核生物や古細菌のものより単純な構成である。ααββ'ωの4種5サブユニットからなるコアエンザイムに、σが会合したホロエンザイムと呼ばれる形態で正常なプロモーターを認識する。シグマ因子は遺伝子上流のプロモーター配列を認識して転写を開始する役割を担っている。

シグマ因子には様々な種類があり、環境条件によって適切な遺伝子群が発現するように使い分けられている。この使い分けは特に枯草菌を用いた研究によって明らかとなった。枯草菌では普段はシグマAというシグマ因子が発現して転写制御に当たっているが、栄養状態が悪くなった場合などには他のシグマ因子（シグマHなど）が発現し、胞子形成の準備を始める。その後母細胞ではE、Kと変化し、胞子ではF、Gが使用される。このほかにも熱ショックに対処するためのシグマ因子など、いろいろな状況に対処するためのシグマ因子がある。

転写調節因子

転写開始を制御する。

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転写伸長因子

転写伸長に必要とされる。ヌクレオソームは転写の伸長を妨げるため、転写伸長因子が転写装置とともに移動する。

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クロマチン構造

真核生物のDNAはヒストンという蛋白に巻きついている (ヌクレオソーム)。一般的にはヒストンがアセチル化されることでクロマチン構造がゆるみ、結果として発現が活性化される。また、ショウジョウバエなどのGAGA因子と呼ばれるタンパク質はDNAに結合し、その周辺のクロマチン構造を変化させる。NAP-1がヒストンをDNAに貼り付け、ACFがそれを移動させて一定間隔にする。

真正細菌ではHUタンパクがDNAと結合し核様体を形成するがクロマチン構造はとらない。

一方多くの古細菌はヒストンを持ち、DNAが巻きついてクロマチン様構造をとっている。

DNAのメチル化

詳細は「DNAメチル化」を参照

また、DNAのメチル化なども重要なキーワードの一つである。メチル化DNAはゲノムインプリンティングなどに関与するとされる。メチル化DNAを特異的に認識するタンパク質（メチル化DNA結合タンパク質, MBD）は、クロマチン構造を変換する酵素複合体を誘導することが考えられている。

一般にDNAのメチル化は転写の抑制となり、特定の遺伝子が特定の組織で発現するメカニズムの原因であると考えられている。また、DNAのメチル化はヒストンのアセチル化やメチル化と結びついており、細胞分裂の際にコピーされた染色体にヒストンのアセチル化やメチル化が引き継がれる。

外部リンク

• 遺伝子の構造と転写 - ビジュアル生理学 内の項目