キャップ奪取

一部のマイナス一本鎖RNAウイルスの転写の第一段階はキャップスナッチングであり、宿主細胞RNAの最初の10～20残基が除去（スナッチ）され、5′キャップおよびプライマーとして使用され、新生ウイルスmRNAの合成が開始される。^[1]次に、ウイルスRNA依存性RNAポリメラーゼ（RdRp）は、マイナスセンスウイルスRNAをテンプレートとして使用して、プラスセンスウイルスmRNAの転写に進むことができる。キャップスナッチングは、一部のウイルスmRNAがゲノムでコードされていない10～20ヌクレオチドの5′末端延長部を持つ理由も説明できる。キャップスナッチングを行うウイルスの例には、インフルエンザウイルス（オルトミクソウイルス科）、ラッサ熱ウイルス（アレナウイルス科）、ハンタウイルス（ハンタウイルス科）、リフトバレー熱ウイルス（フェヌイウイルス科）などがある。ほとんどのウイルスは15～20ヌクレオチドを奪いますが、アレナウイルス科、ナイロウイルス科、トゴトウイルス属（オルトミクソウイルス科）はより短い鎖を使用します。^[2]

インフルエンザウイルスでは、キャップスナッチングは細胞の核内で起こる。キャップスナッチングエンドヌクレアーゼ機能はRNAポリメラーゼのPAサブユニットに含まれている。^[3]

アレナウイルス科とブニヤウイルス科では、キャップスナッチングは細胞質内で起こる。^[4]

キャップスナッチングは、一般的に次の 3 つのステップで発生します。

1) ウイルスの RdRp または N タンパク質は、宿主 mRNA の 5'-メチル化された cap-1 または cap-2 構造に結合します。

2) ウイルスエンドヌクレアーゼはキャップの下流数ヌクレオチドでmRNAを切断します。

3) キャップRNAはRdRpによるウイルスmRNA合成を開始するためのプライマーとして利用される。^[2]

キャップスナッチングは、インフルエンザウイルス、特にインフルエンザ A で最もよく説明されます。インフルエンザウイルス科のオルトミクソウイルス科では、RdRp は PA、PB1、PB2 の 3 つのサブユニットに分かれています。

           PB1 は最初にウイルス RNA (vRNA) の 5' 末端に結合し、PB2 を活性化して、vRNA の 3' 末端が 5' 末端と二重鎖ゾーンを形成するようにします。PB2 は、N7-メチルグアノシン (m ⁷ G) でキャップされた 5' 末端で細胞 mRNA に結合します。PA サブユニットは、その後、N 末端でのエンドヌクレアーゼ活性を介して、キャップ構造から 10～13 ヌクレオチドの配列を切断します。^[5]正確な切断位置は、PB2 と RdRp の PA 間の距離 (約 50 オングストロームまたは 10～13 ヌクレオチド) と、mRNA の配列の両方に依存します。次に、ポリメラーゼ活性を含む PB1 サブユニットが最初に 2 つの新しいヌクレオチドを追加します。キャップから奪われたプライマーは、PB1 ドメインの生成物出口トンネルを通って移動し、転写のプライマーとして機能します。 vRNA 3'-UCGUUUU ヌクレオチドはポリメラーゼに結合しておらず、むしろキャップされた RNA プライマーと相補的に結合して安定性を付与するために自由になっています。次に、キャップされたプライマーの 3' 末端の G または C 残基から転写が始まります。^[6]最後に、PB1 サブユニットは標準的な 5' から 3' 方向への鎖伸長を完了し、キャップを解放しますが、5' 末端は結合したままです。ウイルスの 3' ポリ A テールは、vRNA ループの立体障害によるポリメラーゼのスタッターによって転写の最後に追加されます。^[7]結果として得られるウイルス mRNA は宿主 mRNA と同一の外観を持ち、内因性の細胞機構が処理と核輸出を実行できるようになります。

キャップが外された宿主mRNAは標的分解され、細胞mRNAのダウンレギュレーションにつながります。インフルエンザRdRpは細胞ポリメラーゼII（Pol II）C末端ドメインとも相互作用し、RdRpの構造を変化させることでウイルスの転写を促進する可能性があります。さらに、Pol IIの存在量を減らすことで、インフルエンザは重要な宿主転写を遮断し始めることができます。^[8]

複製中にはキャップスナッチングは使用されません。代わりに、RdRpは「プライミングと再調整」ステップを実行し、ゲノムが完全にコピーされていることを確認します。このメカニズムでは、RdRpが内部にプライマーを設定し、その後vRNAが再調整されて複製が続行されます。^[9]

インフルエンザのPB2キャップ結合ドメインは独特の折り畳み構造を持っていますが、他のキャップ結合タンパク質と同様に芳香族スタッキングを使用してm7G^キャップ結合を実行します。PAはPD(D/E)XKヌクレアーゼファミリーのメンバーであり、二価金属イオンを使用して核酸を切断します。しかし、PAは切断に使用されるMn2+イオンを結合する独特の活性部位ヒスチジン残基を持っています。^[5]

2018年10月、米国FDAは急性単純性インフルエンザの治療薬としてバロキサビル マルボキシルを承認しました。これは20年以上ぶりの新しいインフルエンザ抗ウイルス薬クラスとなりました。^[10]この薬はキャップスナッチングに関する知識を活用し、PAサブユニットのエンドヌクレアーゼ機能を標的にして阻害することで、ウイルスが転写を開始するのを防ぎます。バロキサビル マルボキシル（ゾフルーザ）はインフルエンザAとBの両方に有効です。^[11]

アレナウイルス科とブニヤウイルス目も、分節型のマイナス一本鎖RNAウイルスである。検証済みのMn ²⁺依存性エンドヌクレアーゼは、Lタンパク質のN末端に位置する。TN末端ドメインはさまざまな科間で保存されており、進化の類似性を示唆している。しかし、キャップ結合ドメインはすべてのウイルス科で確認されているわけではなく、Lまたはヌクレオカプシド（NまたはNP）タンパク質に位置すると考えられている。[1] ブニヤウイルス科では、エンドヌクレアーゼ切断とヌクレオチドモチーフの好みは、科、属、種によって異なる。この違いは、ウイルスゲノムの3'末端との塩基対形成の必要性のために生じる。^[7]

ラッサウイルス（アレナウイルス科）の核タンパク質構造には、2番目のヌクレアーゼが含まれています。研究者は、これがインターフェロン反応の減衰に関与していると考えていますが、キャップスナッチングに使用される可能性のあるdTTP結合部位も含まれています。このモデルでは、Lタンパク質とNタンパク質がキャップスナッチングプロセスで協力します。2ドメインモデルはハンタウイルスにも提案されていますが、リフトバレー熱ウイルス（フェヌイウイルス科）のNタンパク質には同じ特徴がありません。^[12]

キャップスナッチングは、ハンタウイルス科（ブニヤウイルス目）でも詳細に研究されている。Nタンパク質が5'キャップに結合し、細胞機構による分解から保護するという証拠がある。Nタンパク質は細胞質細胞処理体（P体）に蓄積し、保護された5'キャップを隔離し、RdRpがウイルスmRNA合成を開始するための利用可能なプライマーのプールとする。vRNAには、5'キャップに隣接して結合するヌクレオチドが4つある。ウイルスは、キャップから14ヌクレオチド下流のG残基でmRNAキャップを優先的に切断する。さらに、通常は、活発に翻訳されているmRNAではなく、ナンセンスmRNAからキャップを切断する。Nタンパク質はP体なしで宿主mRNAキャップを保護できるが、RdRpはそれらを効率的に使用しない。^[13]

ハンタウイルス科のRdRpは、「プライムアンドリアライン」機構にも関与します。宿主オリゴヌクレオチドはmRNA転写をプライミングし、末端のG残基で転写を開始します。いくつかのヌクレオチドが追加された後、新生RNAは反復末端配列（AUCAUCAUC）上で2ヌクレオチド後方に移動することで再整列し、宿主Gが再び最初のヌクレオチドになり、5'末端延長が作成されます。^[14]