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アルゴノート タンパク質ファミリーは、進化的に保存された幹細胞機能のために最初に発見されました[1] 。 RISC ( RNA誘導サイレンシング複合体)の必須成分としてRNAサイレンシングプロセスで中心的な役割を果たしています。 RISCは、RNA干渉 (RNAi)として知られる遺伝子サイレンシング現象の原因です。[2]アルゴノートタンパク質は、マイクロRNA (miRNA)、低分子干渉RNA (siRNA)、Piwi相互作用RNA (piRNA)など、さまざまな種類の小さな非コードRNAに結合します。 小さなRNAは、配列の相補性 (塩基対形成) を通じてアルゴノートタンパク質を特定のターゲットに導き、それがmRNAの切断、翻訳阻害、および/またはmRNA分解の開始につながります。[3]
このタンパク質ファミリーの名前は、シロイヌナズナのAGO1の変異から生じた変異表現型に由来しており、ボーマートらはこれを遠洋性タコArgonauta argoの外観に例えました。[4]
| アルゴノートピウィ ドメイン | |||||||||
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| 識別子 | |||||||||
| シンボル | ピウィ | ||||||||
| パム | PF02171 | ||||||||
| インタープロ | 著作権 | ||||||||
| プロサイト | PS50822 | ||||||||
| 医療機器 | cd02826 | ||||||||
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| アルゴノート・パスドメイン | |||||||||
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| 識別子 | |||||||||
| シンボル | パズ | ||||||||
| パム | PF12212 | ||||||||
| インタープロ | 著作権 | ||||||||
| SCOP2 | b.34.14.1 / スコープ / SUPFAM | ||||||||
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RNA干渉
RNA干渉（RNAi）は、特定のmRNA分子を破壊するか翻訳を抑制することによって、RNA分子が遺伝子発現を阻害する生物学的プロセスである。 [5] RNAiは、寄生ヌクレオチド配列から細胞を守る上で重要な役割を果たしている[要出典]。動物を含む真核生物では、RNAiは酵素ダイサーによって開始される。ダイサーは、長い二本鎖RNA（dsRNA、ウイルスや低分子干渉RNAによく見られる）分子を、約20ヌクレオチドのsiRNAの短い二本鎖断片に切断する。次に、dsRNAは2つの一本鎖RNA（ssRNA）、つまりパッセンジャー鎖とガイド鎖に分離される。その後、パッセンジャー鎖は分解され、ガイド鎖はRNA誘導サイレンシング複合体（RISC）に組み込まれる。 RNAi の最もよく研究されている結果は転写後遺伝子サイレンシングです。これは、ガイド鎖がメッセンジャー RNA 分子内の相補配列と対になり、RNA 誘導サイレンシング複合体の中核にあるアルゴノートによる切断を誘導するときに発生します。
アルゴノートタンパク質はRNA誘導サイレンシング複合体の活性部分であり、結合したsiRNAと相補的な標的mRNA鎖を切断する。[6]理論的にはダイサーは短い二本鎖断片を生成するため、機能的な一本鎖siRNAも2つ生成されるはずである。しかし、ここでの2つの一本鎖RNAのうち、標的mRNAとの塩基対形成に利用されるのは1つだけである。これはガイド鎖として知られ、アルゴノートタンパク質に組み込まれ、遺伝子サイレンシングを導く。パッセンジャー鎖と呼ばれるもう1つの一本鎖RNAは、RNA誘導サイレンシング複合体のプロセス中に分解される。[7]
アルゴノートが小さな RNA と結合すると、PIWIドメインによって付与された酵素活性によって、小さな干渉 RNA のパッセンジャー鎖のみが切断されます。RNA 鎖の分離とアルゴノート タンパク質への組み込みは、RNA 二重鎖の 5' 末端における水素結合相互作用の強さによって決まります。これは非対称性ルールとして知られています。また、中間 RNA 二重鎖の 2 つの鎖間の相補性の度合いによって、miRNA が異なるタイプのアルゴノート タンパク質に分類される方法が決まります。
動物では、miRNA と結合したアルゴノートが mRNA の 3' 非翻訳領域に結合し、さまざまな方法でタンパク質の生成を阻害します。標的 mRNA へのアルゴノート タンパク質のリクルートメントは、mRNA の分解を誘導します。アルゴノート miRNA 複合体は、mRNA の 5' 末端での機能的リボソームの形成にも影響を及ぼします。ここで複合体は翻訳開始因子と競合し、リボソームの組み立てを阻害します。また、アルゴノート miRNA 複合体は、ポリペプチドの成長を分解するペプチドや翻訳後修飾酵素などの細胞因子をリクルートメントすることで、タンパク質生成を調整できます。[8]
植物では、標的 mRNA でde novo二本鎖 (ds) RNA 二重鎖が生成されると、未知の RNase-III 様酵素が新しい siRNA を生成し、それが触媒アミノ酸残基を欠いた PIWI ドメインを含む Argonaute タンパク質にロードされ、別のレベルの特定の遺伝子サイレンシングを誘導する可能性があります。
機能ドメインとメカニズム
アルゴノート（AGO）遺伝子ファミリーは、N末端（N）、リンカー1（L1）、PAZ、リンカー2（L2）、Mid、C末端PIWIドメインの6つの特徴的なドメインをコードしています。[8]
PAZ ドメインは、ショウジョウバエPiwi、シロイヌナズナArgonaute-1、およびシロイヌナズナZwille (別名 pinhead、後に argonaute-10 に改名)にちなんで命名されました。これらのドメインは、これらのドメインで初めて保存されていることが認識されました。PAZ ドメインは、 siRNA、miRNA、およびpiRNAの一本鎖 3' 末端を、配列に依存しない方法で認識する RNA 結合モジュールです。
PIWI はショウジョウバエの Piwi タンパク質にちなんで名付けられました。構造的に RNaseH に似ている PIWI ドメインは、標的切断に不可欠です。アスパラギン酸 - アスパラギン酸 - グルタミン酸の 3 分子からなる活性部位には、触媒に必要な 2 価金属イオンが含まれています。進化の過程でこの保存された特徴を失った AGO ファミリーのメンバーは、切断活性を欠いています。ヒト AGO では、PIWI モチーフは PIWI ボックスでタンパク質間相互作用も媒介し、RNase III ドメインで Dicer に結合します。[9]
PIWIとMidドメインの境界面には、siRNA、miRNA、piRNAの5′リン酸基が存在し、これが機能に必須であることが分かっています。Mid内には、eIF4Eに見られるキャップ結合構造モチーフを模倣することが提案された相同構造であるMCモチーフがあります。後に、MCモチーフはmRNAキャップ結合には関与していないことが判明しました[8]
家族
ヒトには8つのAGOファミリーメンバーがあり、そのうちのいくつかは集中的に研究されています。しかし、AGO1～4はmiRNAをロードできるものの、エンドヌクレアーゼ活性、ひいてはRNAi依存性遺伝子サイレンシングはAGO2にのみ属します。ファミリー全体でPAZドメインとPIWIドメインの配列が保存されていることを考慮すると、AGO2の独自性はN末端またはPAZモチーフとPIWIモチーフをリンクするスペーシング領域のいずれかから生じていると推定されます。[9]
植物のAGOファミリーのメンバーもいくつか研究対象となっている。AGO1はmiRNA関連のRNA分解に関与し、形態形成において中心的な役割を果たす。一部の生物では、エピジェネティックサイレンシングに厳密に必要とされる。これはmiRNA自体によって制御される。AGO4はRNAiによるRNA分解には関与しないが、小RNA（smRNA）経路を介してDNAメチル化やその他のエピジェネティック制御に関与する。AGO10は植物の発達に関与する。AGO7はAGO1および10とは異なる機能を持ち、トランスジーンによって誘導される遺伝子サイレンシングには存在しない。代わりに、植物の発達のタイミングに関係している。[10]
病気と治療ツール
アルゴノートタンパク質は癌と関連があると報告されている。[11] [12]膵臓癌など、特定の特定遺伝子の選択的または上昇した発現を伴う疾患の場合、RNA干渉の高い配列特異性は、変異した内因性遺伝子配列に関連する癌と戦うのに特に適した治療法となる可能性がある。 miR-15aおよびmiR-16aが患者で頻繁に削除および/またはダウンレギュレーションされるなど、いくつかの小さな非コードRNA（マイクロRNA）がヒト癌に関連していることが報告されている。 miRNAの生物学的機能は完全には理解されていないが、発達および代謝中の細胞増殖および細胞死の調整におけるmiRNAの役割は明らかにされている。 miRNAは、特定のmiRNAと標的塩基対の相互作用およびそれらを認識する補因子に応じて、さまざまなレベルで負または正の調節を指示できると考えられている。[13]
多くのウイルスが遺伝物質として DNA ではなく RNA を持ち、そのライフサイクルの少なくとも 1 つの段階において二本鎖 RNA を作ることが広く知られているため、RNA 干渉は生物をウイルスから守るための進化学的に古いメカニズムである可能性があると考えられてきました。ダイサーによって生成される小さな干渉 RNA は、エンドヌクレアーゼであるRNA 誘導サイレンシング複合体(RISC) を mRNA に誘導することにより、配列特異的な転写後遺伝子サイレンシングを引き起こします。このプロセスは、 Neurospora菌類 (quelling として知られています)、植物 (転写後遺伝子サイレンシング)、哺乳類細胞 (RNAi)など、幅広い生物で確認されています。小さな RNA とターゲットの間に完全またはほぼ完全な配列相補性がある場合、RISC の Argonaute タンパク質成分がターゲット転写物の切断を仲介し、そのメカニズムには主に翻訳の抑制が含まれます[要出典]。
原核生物アルゴノートタンパク質のバイオテクノロジーへの応用
2016年、河北科技大学の研究グループが、Natronobacterium gregoryi由来の原核生物アルゴノートタンパク質を用いたゲノム編集について報告した。しかし、アルゴノートタンパク質をゲノム編集用のDNA誘導ヌクレアーゼとして応用できるという証拠は疑問視されており、主要ジャーナルからその主張は撤回された。[14] 2017年、イリノイ大学の研究グループが、 Pyrococcus furiosus (PfAgo)由来の原核生物アルゴノートタンパク質をガイドDNAとともに使用し、人工制限酵素としてin vitroでDNAを編集したと報告した。[15] PfAgoベースの人工制限酵素は、酵素切断を介してネイティブDNA配列のデータを保存するためにも使用された。[16]
参考文献
- ^ Cox DN、Chao A、Baker J、Chang L、Qiao D、Lin H (1998 年 12 月)。「piwi によって定義される進化的に保存された遺伝子の新しいクラスは、幹細胞の自己複製に必須です」。遺伝子と 発達。12 ( 23): 3715–3727。doi :10.1101/ gad.12.23.3715。PMC 317255。PMID 9851978。
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