このページはRCSBの David S. Goodsell博士による「Molecule of the Month」2005年7月の記事を日本語に訳したものです。転載・引用については利用規約をご覧下さい。
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:翻訳 工藤高裕 (PDBj)
TATA配列DNAに結合したTATA結合タンパク質(PDB:1cdw)

RNAポリメラーゼ(RNA polymerase)酵素はDNAの2本鎖をほどき、RNA鎖へ遺伝的情報を転写する(transcribe)精巧な仕事を行う。しかしどこから転写を始めるのかをどうやって知るのだろうか?我々の細胞は何十億ものヌクレオチドの中に30,000の遺伝子を持っている。そしてそのそれぞれの遺伝子に対して、細胞は正しい場所から正しい時に転写を開始できなければならない。

転写開始

遺伝子に隣接する特別なDNA配列はプロモーター(promoter)と呼ばれ、転写の適切な開始位置と方向を決めている。プロモーターは生物によって配列と位置が異なっている。細菌の場合、通常のプロモーターはRNAポリメラーゼのシグマサブユニット(σ subunit)と相互作用する2つの領域を含んでいる。シグマサブユニットはプロモーターDNA配列と結合して転写開始を助け、その後はポリメラーゼから離れてポリメラーゼが遺伝子の転写を継続できるようにする。我々の細胞は細菌よりもずっと複雑なプロモーター機構を持っていて、何十種類ものタンパク質を使って適切なRNAポリメラーゼが確実に各遺伝子の転写を行えるようにしている。この機構の中心的要素となるのが、TATA結合タンパク質(TATA-binding protein)である。

TATAボックス

我々の持つタンパク質をコードする遺伝子は、転写開始部位の前にTATAボックス(TATA box)と呼ばれる特徴的なヌクレオチド配列を持っている。この配列は通常 T-A-T-A-a/t-A-a/t のようになっている(ここで、a/t は A または T どちらが来ても構わないことを意味する)。驚くべきことに、この配列は様々な変異があっても機能し、なぜある配列では機能し別のある配列では機能しないのかを明らかにすることが転写研究における課題の一つとなっている。TATA結合タンパク質(TBPとも呼ばれる)はこのTATA配列を認識して結合し、転写開始部位を明らかにする目印を作る。最初にTATA結合タンパク質の構造が決定された時、研究者たちはTATA結合タンパク質がDNAに結合する際、穏やかではないことを見つけた。結合するというよりはむしろ、TATA配列をつかんで鋭く折り曲げる。その様子をPDBエントリー 1ytb1tgh1cdw で見ることができる。

ヘルパー

転写制御因子 上:TFIIB(PDB:1vol) 中央:TFIIA(PDB:1ytf) 下:転写制御因子NC2(PDB:1jfi)

TATA結合タンパク質は、転写過程を開始するより大きな転写因子(transcription factor)TFIIDの一部として働く。TATA結合タンパク質はプロモーターに結合した後、追加の転写因子を呼び出す。

右図上に示したTFIIB(PDBエントリー 1vol )が次に結合する。そして他の転写因子の連なりが結合して、転写を開始するかどうかを決定する巨大なタンパク質複合体を構築する。この複合体には右図中央に示したTFIIA(PDBエントリー 1ytf )のような転写活性化因子(transcription activator)も含まれる。これは転写開始を促す。

また右図下に示す転写制御因子NC2(transcription regulator NC2 (negative cofactor 2)、PDBエントリー 1jfi )のような別の因子は転写開始を阻害する。

なお右図では3図とも、TATA結合タンパク質を青で、小さなDNA断片を赤で、転写因子を緑で示している。

構造をみる

DNAのTATA配列に結合したTATA結合タンパク質(PDB:1ytb)

TATA結合タンパク質は、PDBエントリー 1ytb から得られた右図に示す構造のように、TATA配列を認識してつかむのに2種類の相互作用を用いる。まず右図上に示すように、DNAのリン酸基(黄色と赤色の部分)と相互作用するアミノ酸(リジン(lysine)とアルギニン(arginine))の連なり(暗い青色の部分)を持っていて、これを使いタンパク質とDNAをくっつける。次に、DNAの塩基と相互作用する特別に配置されたアミノ酸を使う。右図下に示すように、4つのフェニルアラニン(phenylalanine)アミノ酸がDNAの小さい方の溝に入り込み、DNAを曲げるよじれを作る。また丁度中央には水素結合(hydrogen bond)を形成する、アスパラギン(asparagine)アミノ酸が2つ対称的に存在する。この珍しいTATA DNA配列の柔軟性と特徴的な水素結合の組み合わせによって、TATA結合タンパク質は適切な配列を認識できる。

各自で構造を見る際、TATA結合タンパク質が1本の鎖で構成されているにも関わらず、2つの対称的な部分を持っていることに注目して欲しい。この対称性は、右図下に示した2組のフェニルアラニン(A鎖またはB鎖の99、116、190、207番残基)と2つのアスパラギン(A鎖またはB鎖の69、159番残基)を見れば容易に理解できる。これはかつての遺伝子が複製され、同じ遺伝子の複製2つが組み合わさったことによってできたと考えられている。なお、TATA結合タンパク質に関して遺伝的視点からみた追加情報が欧州バイオインフォマティクス研究所(EBI)の「 今月のタンパク質 」で提供されている。

2005/6/27にPDBでFASTA検索を行って決定したTATA結合タンパク質に関連するエントリーの一覧をこちらのリストに掲載しています。

2005/06/27 のFASTA検索による関連PDBエントリー一覧
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PDB ID Title Authors Publication Year Journal Name Volume No First Page Pubmed ID
1cdw Crystal structure of a human TATA box-binding protein/TATA element complex. D.B.Nikolov, H.Chen, E.D.Halay, A.Hoffman, R.G.Roeder, S.K.Burley 1996 Proc. Nat. Acad. Sci. USA 93 4862 8643494
1nvp Novel Interactions between the Components of Human and Yeast TFIIA/TBP/DNA Complexes. M.Bleichenbacher, S.Tan, T.J.Richmond 2003 J. Mol. Biol. 332 783 12972251
1nh2
1jfi Crystal Structure of Negative Cofactor 2 Recognizing the TBP-DNA Transcription Complex. K.Kamada, F.Shu, H.Chen, S.Malik, G.Stelzer, R.G.Roeder, M.Meisterernst, S.K.Burley 2001 Cell 106 71 11461703
1tgh How proteins recognize the TATA box. Z.S.Juo, T.K.Chiu, P.M.Leiberman, I.Baikalov, A.J.Berk, R.E.Dickerson 1996 J. Mol. Biol. 261 239 8757291
1c9b Structural Basis of Preinitiation Complex Assembly on Human Pol II Promoters F.T.F.Tsai, P.B.Sigler 2000 Embo J. 19 25 10619841
1qn5 TATA Element Recognition by the TATA Box-Binding Protein Has Been Conserved Throughout Evolution G.A.Patikoglou, J.L.Kim, L.Sun, S.-H.Yang, T.Kodadek, S.K.Burley 1999 Genes Dev. 13 3217 10617571
1qn4
1qn8
1qn3
1qn7
1qnc
1qn6
1qnb
1qna
1qn9
1qne
1vol Crystal structure of a TFIIB-TBP-TATA-element ternary complex. D.B.Nikolov, H.Chen, E.D.Halay, A.A.Usheva, K.Hisatake, D.K.Lee, R.G.Roeder, S.K.Burley 1995 Nature 377 119 7675079
1vok 2.1 A resolution refined structure of a TATA box-binding protein (TBP). D.B.Nikolov, S.K.Burley 1994 Nat. Struct. Biol. 1 621 7634102
1ngm Crystal Structure of a Transcription Factor Iiib Core Interface Ternary Complex Z.S.Juo, G.A.Kassavetis, J.Wang, E.P.Geiduschek, P.B.Sigler 2003 Nature 422 534 12660736
1ytb Crystal Structure of a Yeast TBP/TATA-Box Complex Y.Kim, J.H.Geiger, S.Hahn, P.B.Sigler 1993 Nature 365 512 8413604
1ytf Crystal structure of a yeast TFIIA/TBP/DNA complex. S.Tan, Y.Hunziker, D.F.Sargent, T.J.Richmond 1996 Nature 381 127 8610010
1tba Solution Structure of a TBP-Taf(II)230 Complex: Protein Mimicry of the Minor Groove Surface of the TATA Box Unwound by TBP D.Liu, R.Ishima, K.I.Tong, S.Bagby, T.Kokubo, D.R.Muhandiram, L.E.Kay, Y.Nakatani, M.Ikura 1998 Cell (Cambridge,Mass.) 94 573 9741622
1tbp Crystal structure of yeast TATA-binding protein and model for interaction with DNA. D.I.Chasman, K.M.Flaherty, P.A.Sharp, R.D.Kornberg 1993 Proc. Nat. Acad. Sci. USA 90 8174 8367480
1mp9 Origins of Protein Stability Revealed by Comparing Crystal Structures of TATA Binding Proteins. H.Koike, Y.Kawashima-Ohya, T.Yamasaki, L.Clowney, Y.Katsuya, M.Suzuki 2004 Structure 12 157 14725775
1d3u The Structural Basis for the Oriented Assembly of a TBP/Tfb/Promoter Complex O.Littlefield, Y.Korkhin, P.B.Sigler 1999 Proc. Nat. Acad. Sci. USA 96 13668 10570130
1ais The 2.1-A crystal structure of an archaeal preinitiation complex: TATA-box-binding protein/transcription factor (II)B core/TATA-box. P.F.Kosa, G.Ghosh, B.S.DeDecker, P.B.Sigler 1997 Proc. Nat. Acad. Sci. USA 94 6042 9177165
1pcz The crystal structure of a hyperthermophilic archaeal TATA-box binding protein. B.S.DeDecker, R.O'Brien, P.J.Fleming, J.H.Geiger, S.P.Jackson, P.B.Sigler 1996 J. Mol. Biol. 264 1072 9000631
1l6h Solution Structure of Plant Nonspecific Lipid Transfer Protein-2 from Rice (Oryza Sativa). D.Samuel, Y.-J.Liu, C.-S.Cheng, P.-C.Lyu 2002 J. Biol. Chem. 277 35267 12011089

TATA結合タンパク質についてさらに知りたい方へ

以下の参考文献もご参照ください。

  • R. G. Roeder 1996 The role of general initiation factors in transcription by RNA polymerase II. Trends in Biochemical Sciences 21 327-335
  • Z. S. Juo, T. K. Chiu, P. M. Leiberman, I. Baikalov, A. J. Berk and R. E. Dickerson 1996 How proteins recognize the TATA box. Journal of Molecular Biology 261 239-254



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2005-07-01 (last edited: 7 months ago)2016-09-09
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