遺伝的な観点から見ると、これはバクテリアにとって最悪のシナリオです。転写の過程で、新しく合成されたRNAがDNAの鋳型にくっつき、「Rループ（R-loop）」と呼ばれる三本鎖構造を形成します。これらの構造は細胞内で重要な役割を果たす一方で、不適切な場所やタイミングで生じると、DNAの切断、突然変異、そして細胞死を引き起こす原因にもなり得ます。 このたび『Nature Structural & Molecular Biology』誌に掲載された新しい研究論文「RapA Opens the RNA Polymerase Clamp to Disrupt Post-Termination Complexes and Prevent Cytotoxic R-loop Formation（RapAはRNAポリメラーゼのクランプを開き、転写終了後複合体を解体して細胞毒性Rループの形成を防ぐ）」では、大腸菌（E. coli）において酵素RapAがRループの形成を防ぐ仕組みが解明され、全ての細胞がゲノムの安定性をどのように維持しているかについて重要な示唆を与えています。
この研究結果は、DNAをRNAへと転写する役割を担うRNAポリメラーゼ（acronym: RNAP, original English term: RNA polymerase）という酵素が、特定の条件下ではRループを大量に生成してしまう可能性があることを示しています。しかし、それを未然に防いでいるのがRapAというタンパク質です。
「Rループは基本的に細胞にとって厄介な存在なので、それらの形成を防ぐために、細胞は多数の冗長的な機構を備えています」と、ロックフェラー大学分子生物物理学研究室の主任であるセス・ダーシュト博士（Seth Darst, PhD）氏は語ります。「私たちは長年関心を持っていたRapAというタンパク質が、その重要な防御機構の1つであることを発見しました。」
命を守るクランプ解除機構
すべての生物は、DNAをRNAに転写するためにRNAポリメラーゼ（RNAP）を必要としています。バクテリアにおいては、転写の開始時にRNAPがDNA鎖にクランプし、シグマ因子（sigma proteins）から「開始の合図」を受けて転写が始まることは以前から知られていました。しかし、転写の終了過程については詳細が十分に解明されていません。新たな研究では、転写が終了した後でも、RNAPがDNAにクランプしたまま残留することが多いという事実が明らかになりました。ただし、なぜそのような状態になるのか、そしてその仕組みについてはよく分かっていませんでした。
1990年代、ダーシュト研究室はRapAというATPアーゼ（ATPase）を発見し、RNAPと相互作用していることを突き止めましたが、その機能は不明でした。「当時はRapAが何をしているのか全く見当がつきませんでした」とダーシュト氏は語ります。しかしそれから数十年後、別の研究グループが、大腸菌が高塩ストレス条件下にさらされると、RapAが欠損していると生育できないことを発見し、ダーシュト氏のRapAへの関心が再燃しました。
ダーシュト氏のチームは、クライオ電子顕微鏡（cryo-EM）を用いて、転写終了後にRNAPがどのようにしてDNAに結合したままになり、RapAがどのようにそれに関与するのかを調査しました。彼らは、一般的な線状DNAではなく、より自然に近い構造である「ネガティブ・スーパーコイルDNA（negatively supercoiled DNA）」を用いることにしました。この構造は、DNAの二重らせんが緩やかにねじれた状態であり、バクテリアの自然状態をより忠実に模倣しています。
「私たちの研究は、ネガティブ・スーパーコイルDNAをクライオ電子顕微鏡で観察に用いた初期の例の1つです」と、本研究の第一著者であり、実験を設計した大学院生のジョシュア・ブリューワー（Joshua Brewer）氏は述べています。「この手法により、DNAのトポロジー（立体的な構造）状態や、タンパク質がどのように再配置されるか、DNAとの相互作用の様子をより明確に視覚化することができました。」
研究チームは、RNAPが転写後にDNAに結合したままの状態で、ただそこに留まっているわけではないという驚くべき事実を発見しました。実際には、シグマ因子という通常の開始要素がない状態でも、RNAPは再び転写を開始できてしまうのです。シグマ因子がない状況で始まる転写は、有害なRループを形成しやすくなりますが、RapAが介入することでその問題は回避されます。RapAはRNAPの「クランプ」をこじ開け、DNAからRNAPを外すことで、Rループの形成を未然に防ぎます。
「RNAPはまるでDNAに閉じる大きな爪のようなものです」とダーシュト氏は説明します。「RapAはRNAPに結合し、そのクランプを引き開けることで、RNAPがDNAから離脱し、Rループを形成する前に排除されるようにしているのです。」
バクテリアを超えて
RapAの役割について、より明確な像が浮かび上がってきました。研究チームは、RapAを欠損させた大腸菌に高塩ストレス条件を与える実験を行い、その結果、遺伝的不安定性が生じることを確認しました。これは、RNAPがDNAに結合したままとなりやすくなり、その結果としてRループが形成されやすくなることを示唆しています。
さらに、研究者らは大腸菌がRhoというよく知られた酵素も持っており、Rループをほどく働きを持っていることを再確認しましたが、RapAが欠損している場合にはRhoだけでは完全に補うことができないことも判明しました。「RapAをノックアウトすると、Rhoが過剰に働かざるを得なくなります」とブリューワー氏は述べます。「RapAとRhoは、互いに補完的な役割を果たしており、冗長的な（どちらでも代替可能な）ものではありません。特に大腸菌が高塩ストレスにさらされたとき、両者の協働がゲノムの安定性を維持する上で重要なのです。」
この発見には広範な意味があるかもしれません。ダーシュト氏、ブリューワー氏、そしてその共同研究者らは、RapAやそれに類似した因子（RNAP解離因子と呼べるもの）が、大腸菌だけでなく、すべてのバクテリア、さらにはあらゆる細胞に存在している可能性があると考えています。転写に関連するゲノム不安定性に関係する疾患を標的とする新たな戦略を導く可能性もあります。
「私たちは、このような機能を持つ酵素が生命の系統樹全体にわたって存在していると予測しています」とダーシュト氏は述べます。「これらの機構について学べば学ぶほど、細胞がいかにしてゲノムを守っているかの理解が深まっていきます。」
画像：RapA (yellow) pulling open the RNAP clamp (purple) to help the RNAP fall off the DNA
[News release] [Nature Structural & Molecular Biology abstract]
