転写
DNAを鋳型として、DNAからRNAへ遺伝情報を伝達することです。 タンパク質合成はリボソームで行われます。
遺伝子とは何ですか？ 遺伝子とは、ポリペプチドをコードするヌクレオチドの配列のことである。 このような遺伝子は「構造」遺伝子と呼ばれる。 また、遺伝子はメッセンジャーRNA（mRNA）、トランスファーRNA（tRNA）、リボソームRNA（rRNA）などのRNAもコードしていることが分かっています。 しかし、遺伝子の発現を制御するだけでなく、遺伝子の発現を開始、終了させるものが必要である。 その制御配列は、「プロモーター」であったり「エンハンサー／サイレンサー」であったりするが、コード領域から遠く離れた場所に位置していることもある。 つまり、遺伝子は染色体上の別々の領域にあるという考え方が必要なのです。 mRNAに転写された情報が、さらに修飾されるまで最終的なタンパク質に反映されないとしたらどうだろう？ これが「転写後修飾」である。 さて、遺伝子の概念がさらに混迷を深めている。 もし、「重複する」コード領域があったらどうでしょうか？ しかし、機能的には、遺伝子は明確なコーディング領域と明確な制御領域を持ち、後者がDNAがmRNAに転写される速度を制御すると説明することができる。 制御単位はDNAの「モチーフ」で構成され、遺伝子が適切に制御されるためには、すべてのモチーフが制御タンパク質によって占有される必要があることがわかるでしょう。 タンパク質が適切に付着していなければならないだけでなく、タンパク質はすべて、ジグソーパズルのピースが組み合わされるように、近くの他のモチーフに結合するタンパク質と組み合わされなければならないのです。 そして、すべてのものが組み合わされる正しい方法はただひとつしかないのです。 つまり、DNA が mRNA 合成を指令し、それがタンパク質合成を指令するという単純な問題ではなく、タンパク質は転写のレベルでタンパク質生成の制御に本質的に関与しているのである。 真核生物では、遺伝子は個々に転写されるが、原核生物では、関連した機能を持つ遺伝子（「オペロン」）は一緒に転写されることがある。 例えば、Lacオペロンには、3つのタンパク質コード遺伝子とその制御配列が含まれています。 このオペロンは、「ポリシストロンmRNA」として1つのユニットとして転写される。 真核生物の構造遺伝子は、モノシストロン型mRNAとして転写される。
DNA指向性RNA合成
DNA指向性RNA合成の特徴として、3つのステップがある。
(2) mRNA鎖の伸長
(3) mRNA鎖の終結
「遺伝子」をコードするDNAの直接転写から生じるmRNAの断片は「一次転写物」と呼ばれ、そのメッセージをタンパク質に翻訳できるまでに時には非常に広範囲に及ぶ修飾が行われる。
RNAを合成する酵素の一群はRNAポリメラーゼとして知られている。
（RNA）n残基＋1NTP＝（RNA）n＋1残基＋PPi
ピロリン酸は不可逆的に加水分解されて2Piになるため、この反応を右へ推進する。 DNA鋳型鎖から読み出された個々のヌクレオチドは、対応するRNAのヌクレオチドに転写され、最終的に一本鎖のポリマー、すなわちmRNAとなる。そのヌクレオチドはDNA鋳型鎖上の相補的ヌクレオチドと正確に対応しているが、DNA鋳型鎖に「A」が出現すると、mRNAには「U」が出現するという例外が存在する。 (原核生物の転写
RNAポリメラーゼで最も研究されているのは大腸菌のもので、これをRNAポリメラーゼの原型として研究することにする。 ホロ酵素は449kDのタンパク質で、「コア酵素」と「s-サブユニット」から構成され、複合体全体を（コア）sと表記している。 コア酵素は重合反応を指令するもので、コア酵素＝a2bb’wの4つのサブユニットを持つ。 触媒活性には無機イオンZn2+（b’サブユニットに2個）とMg2+が必要で、酵素の立体構造は手の形をしている。 手の親指は、湾曲した指と手のひらで表現されるチャネルにあるB DNAの一部を掴んでいると考えることができる。 このチャネルは円筒形で、25A×55Aの大きさです。この大きさによって、約16塩基対のB DNAを収めることができます。
この「手」構造は、DNAポリメラーゼや逆転写酵素など、これから研究する他の酵素にも見られます。 T7 RNAポリメラーゼ（下記PDB参照）を見れば、RNAポリメラーゼの手の構造をさらに詳しく知ることができます。
1ARO: T7 RNA Polymerase
我々は、すでに述べたようにかなりあいまいな存在の遺伝子から転写を見ていくことにしました。 とはいえ、正しい転写が行われるためには出発点が必要であることは明らかで、それ自体は転写されないとしても、これを遺伝子の一部として含めるのは妥当なことです。 つまり、開始の問題とは、実際には開始点の認識の問題なのです。 しかし、DNAの2本の鎖のうちどちらが鋳型となるのか、ポリメラーゼはどのように選択するのでしょうか？
どちらの鎖も鋳型になり得ますが、転写は常にDNAの鎖の5’端から3’端へと進みます。 鋳型となる3′-5’鎖は「アンチセンス」または非コード鎖と呼ばれ、5′-3’鎖（後に転写されるmRNAと、「T」の代わりに「U」を除いた同じ塩基配列を持つ）は「センス」または「コード」鎖となる。 一貫性を持たせるために、ヌクレオチド配列に沿った位置の説明は、転写されるmRNAの順序と同じであることから、センス鎖の観点から行うという慣例を使用することにする。 遺伝子の中で開始点として機能する部分は「プロモーター」と呼ばれ、RNAポリメラーゼのホロ酵素によって探し出される。 ホロ酵素はDNAと約10-7 MのKdissocで弱く結合するため、プロモーターを求めてアンチセンス鎖に沿って移動することができる。 ssubunitはプロモーター配列に特異的に結合し、ホロ酵素は強固に結合する（Kdissoc 約10-14M）。
プロモーターは開始点の5’側にある約40bpの塩基配列で認識され、その中に2つの「保存された」配列が存在する。 そのうちの1つは長さ6bpで、転写開始点から約10bps上流に位置する。 もう1つは、あまり保存されていないが、約35bp上流に位置し、TTGACAのコンセンサス配列を持つ。開始部位は+1という表記で示され、ほとんどの場合AかGである。
RNAポリメラーゼホロ酵素は、2つの領域（-10と-35）のほぼ中央でプロモーターに接触し、コア酵素は二重鎖DNAにしっかりと結合する。その作用は、-9から+2までの約11bpsの配列に沿って二重鎖DNAを融解させるというものである。 s因子は転写が始まると同時に分裂する。
どの遺伝子が転写されるかを決定するのは、細胞内の特定のs因子である。 したがって、個々の細胞の種類は、そのs因子によって特徴づけられる。
鎖の伸長は5′–> 3’方向に進み、「転写バブル」（「溶けた」DNAの長さ）はRNAポリメラーゼと一緒に移動する。 その結果、溶融していないDNAはバブルの手前で過剰に巻かれ、バブルの奥で不足する。 トポイソメラーゼの作用により、正負のスーパーコイルが緩和される。 生成されたmRNAは、下流の位置でDNAに短時間ハイブリダイズし、下流端に付着した「テール」としてDNAから分離して存在する。 RNAポリメラーゼは転写バブルの両側で比較的強固に、しかし非特異的に結合しており、DNAに巻きつく「親指」によって安定化されているので、処理中にDNAから脱落することはない。 37℃で1秒間に約20から50のヌクレオチドが転写され、約104回に1回の割合でヌクレオチドが間違って転写される。 遺伝子は繰り返し転写されるため、このエラー率は、翻訳される各アミノ酸に対して複数のコドン（「同義語」）が存在し、タンパク質中の単一のアミノ酸置換エラーは通常その機能を妨げないという事実と相まって、それほど致命的なものではありません。
遺伝子の転写の自然停止は「終結配列」によって合図される。大腸菌では、転写を停止する最後の合図は、鋳型鎖のAsと4〜10個のA-T塩基対の連なりである。 この領域の各Aに対して、mRNA転写物はUを持つ。この配列のすぐ上流には、Gand C塩基に富む領域と、GとCに富む別の領域があり、スペーサーが続いている。 この2つのG,Crich領域は、180度の非対称操作により、一方の領域を他方の領域に重ねることができるようになっている。 このような回転対称性の中心を中心とした塩基対の関係を「回文配列」と呼びます。 その結果、mRNAの3’末端にはヘアピンループが形成され、GsはCsと、AsはUsと塩基対を形成している。 3’末端の最末端は、水酸基が続く一連のUsである。ループが形成されると、RNAポリメラーゼは終結部位で一時停止する。 末端のオリゴUテールはDNA鋳型鎖と弱く結合しているだけなので、非鋳型DNA鎖によって移動され、mRNA鎖はDNA鋳型から解放された状態となる。 rho因子は、成長するmRNA鎖上の、終結部位の上流にある配列を認識し、結合した後、鎖に沿って5′-3’方向に移動し、終結部位で停止しているRNAポリメラーゼに到達します。 転写産物は、rho因子によってRNA-DNA二重鎖が巻き戻されることにより、鋳型鎖から解放される。
真核生物における転写：
原核生物における転写と非常に似ているが、真核生物における転写の「機械」と制御配列ははるかに複雑であり、多数のRNAポリメラーゼが存在する。 残りのRNAには、トランスファーRNA（tRNA）、メッセンジャーRNA（mRNA）のほか、mRNAのスプライシングに関与する「小核」RNA（snRNA）やRNAの編集に関与する「ガイド」RNAなど、少量で存在するタイプがある。 後者の2つのプロセスは、真核生物のmRNAのライフサイクルのうち、DeepL翻訳後のプロセスで起こる。 すべてのRNAはDNAによってコードされており、真核生物のRNAポリメラーゼの種類が異なるのは、このことと、真核生物ではmRNAのDNAへの翻訳が核の外で行われるという事実を反映したものである
多くのrRNAの前駆体は、RNAポリメラーゼIという酵素によって核小体で合成される。 mRNAの前駆体は核質でRNAポリメラーゼIIによって合成され、RNAポリメラーゼIIIは同じく核質で5S RNA、tRNA、その他核と細胞質で見られるRNAの前駆体を合成する。 ミトコンドリアには独自のRNAポリメラーゼがあり、植物に見られる葉緑体RNAと類似している。 真核生物で転写に関与するものとして、RNAポリメラーゼIIに注目します。
酵母のRNAポリメラーゼII（下のPDB参照）の構造を見ながら、その原型となる構造を議論することができます。 酵素の全体的な形は原核生物のRNAポリメラーゼ（およびDNAポリメラーゼ）と似ており、B-DNAの断片（幅約25A）を含むのに十分な大きさのチャネルを挟む「親指」モチーフのある手の形をしています。
1ENO: Yeast RNA Polymerase II
mRNA鎖の伸長の化学についてはまだ考えていませんでしたが、ここで考えてみましょう。 伸長する鎖の3’OH基がNTPのa-リン酸に求核攻撃されることにより、5′–> 3’の方向に鎖が伸長される。
原核生物と同様に、真核生物の転写もプロモーターの認識によって開始される。 rRNAの合成を指令するrRNA遺伝子のコピーは多数存在し、すべてほぼ同じ配列である。 この冗長性によって、先に述べたように、細胞内RNAの約95％を占めるrRNAの十分な供給が保証されている。したがって、これらのほぼ同一の遺伝子のプロモーターは同一であり、RNAポリメラーゼIは一つのプロモーター配列だけを認識すればよいことになる。 しかし、RNAポリメラーゼIは種特異的である（RNAポリIIとIIIは種特異的ではない）。
哺乳類rRNAの促進には、-31から+6までの領域（これは転写される遺伝子の領域と重なることに注意）「中核促進要素」と-187から-107までの「上流促進要素」が存在し、上流促進要素にはプロモーターが存在する。
RNAポリメラーゼIIIによる遺伝子の転写では、プロモーターは遺伝子の転写部分、+40から+80の間に位置することもあるが、部分的に上流にあることもあり、完全に開始点より上流にあることもある。 どの細胞でもほぼ同じ速度でタンパク質を生成する遺伝子（「構成性酵素」）と、細胞の種類によって生成速度が大きく異なり、ある時点での分化した細胞の必要性に依存する遺伝子（「誘導性酵素」）に分類することができる。
恒久的遺伝子プロモーター要素：
GC Box：開始点から上流にGGGCGG（またはその相補体）を1個以上含む領域で、原核生物のプロモーター要素に類似している。
選択的に発現する遺伝子プロモーター要素：
TATA Box：約-25〜-30に位置し、A、Tに富む領域で、Pribnow Box（TATAAT）に類似している。 TATAボックスが欠損していても遺伝子は転写され、TATAボックスが転写開始位置の選択に関与していると考えられている
CCAATボックス：TATAボックスの上流、約-70から90の位置に多く見られる配列である。 RNAポリメラーゼIIや転写の開始に必要な他のタンパク質と結合する。
構造遺伝子の制御配列。
染色体の他の領域は、開始点から遠く離れていることもあり、RNAポリメラーゼIIがプロモーター要素に結合するのに影響を与えることがある。 これらの遺伝子要素は「エンハンサー」「サイレンサー」と呼ばれている。 アクチベーター」「リプレッサー」と呼ばれるタンパク質はエンハンサーやサイレンサーに結合し、ポリメラーゼのプロモーターへの結合に影響を与えることができる。 さらに、同じタンパク質が、特定の相互作用によって、活性化因子としても抑制因子としても機能することができる（「二重作用型」転写因子）。 むしろ、s因子と同じ働きをするタンパク質の集合があり、これが「一般転写因子」（GTF）である。 転写因子の構造については、以前の講義でDNA-タンパク質相互作用を取り上げたときに、すでに見ている。
6つのGTFは、転写の低速かつ不変の基礎速度に必要であり、この速度は他のタンパク質因子の参加により増加させることが可能である。 これらのGTFは、「TATA結合タンパク質」（TBP）がプロモーターのTATAボックス（ある場合）に結合することから始まる「プレイニシエーション複合体」を形成しています。 TBPが結合する特定の配列が、転写開始点を特定する。 この結合の結果、TATAボックスの両端ではDNAがねじれ、歪む。 他のGTFが次々と結合し、その後にRNAポリメラーゼが結合する。 最後に、残りのGTFが結合する。
1YTB: TBP/TATA Box Complex
TFIIDの構成要素であるTBPと結合後、結合のシーケンスは次の通りである。
TFIIA
TFIIB
TFIIF
RNA PII
TFIIE
TFIIH
TFIIH には二つの重要な酵素が備わっている． 一つは開口した複合体の形成を助けるATP依存性のヘリカーゼ活性であり、もう一つはRNAポリメラーゼIIの最大サブユニットのC末端をリン酸化するキナーゼ活性である。 TFIIFを除く様々なGTFは、伸長とともに複合体から解離し、転写伸長プロセスを開始することができる。 TFIIDはプロモーターに結合したままであるため、GTFが再集合してプレイニシエーション複合体を形成する際に、繰り返し転写が行われる。 しかし、3つともTBPを必要とする。
細胞は、すべての遺伝子の転写を個別に制御している。 サイレンサーとエンハンサーを遺伝子ごとに独自に組み合わせることで転写速度を調節している。 プロモーターから離れた場所に結合しているアクチベーターやリプレッサーは、どのように遺伝子の転写に影響を与えているのだろうか。 このタンパク質には2つの興味深いモジュールがある：
(1) 一端に3本の亜鉛フィンガーがあるモジュール；
(2) 反対側の端にGlnに富んだ2つのセグメントがあるモジュール；
グルタミンに富んだ端を持たない変異体はDNAと結合できるが転写は刺激されない。 TBP-Assicuated Factor」または「TAF」とも呼ばれ、少なくとも8種類のコアクチベーターがあり、転写活性化に重要である。 これらは基底因子（GTFs）ではなく、特定のDNA配列に結合することもない。 むしろ、TBPと熱心に結合し、活性化因子に対して複数の「ドッキング部位」を提供する。 この意味で、GTFは「アダプター分子」なのである。 このようなアダプター分子の「ツールキット」は、遺伝子の転写を調節するための非常に多様な選択肢を提供する。 そこで、GTFの転写開始前複合体と原核生物のs因子を比較しましたが、s因子と活性化因子-活性化因子-基部転写開始前複合体の複合体全体を比較するのがより適切な方法でしょう。 この配置がどのように転写速度を変化させるかについては、おそらくRNAポリメラーゼIIがコード領域に沿って移動しやすくするためのDNAの歪みが主な原因であろう。
Latchman (TRENDS in Biochemical Sciences Vol.26 No.4 April 2001) は、DNA結合部位そのものが転写調節に重要な役割を果たすと指摘している。 同じ転写因子でも、異なる部位に結合すると、異なる立体構造をとることがある。 このような構造変化はDNA-タンパク質相互作用によって引き起こされるため、1つのタンパク質が、それぞれが独自の効果（活性化、抑制、無作用）を持つタンパク質の集まりのように作用することができ、転写の制御スペクトルの柔軟性が高まる。
これをさらに一歩進めると、コアクチベーターがアクチベーターに結合するときにも同様の現象が起こりうると想像できる。 おそらく、タンパク質とタンパク質の相互作用の種類によって、結合したタンパク質に異なる構造変化が同様に誘発されるのだろう。
転写因子の活性化ドメインはグルタミン酸に富むことが多いが、プロリンや酸性に富むものもある。 また、疎水性残基が酸性残基やグルタミン残基の間に点在している場合もあり、活性化に重要である。 Tjian (Cell, Vol. 77, 5-8, April 8, 1994) は、疎水性力によって活性化ドメインとその標的が結合し、結合要素の周期性によって特異性が達成されることを示唆している
遺伝子は、正しい活性化剤が存在して抑制剤の効果を克服できる場合にのみ測定できる速度で転写される
。