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キャッピング酵素（CE）は、遺伝子発現の初期段階で細胞核内で合成されているメッセンジャーRNA分子に5'キャップを付加する反応を触媒する酵素です。キャップの付加は転写と同時に起こり、成長中のRNA分子がわずか25ヌクレオチドになった時点で起こります。この酵素反応は、 RNAポリメラーゼIIのリン酸化されたカルボキシル末端ドメイン（CTD）によって特異的に触媒されます。したがって、5'キャップはRNAポリメラーゼIやRNAポリメラーゼIIIによって合成されたRNAではなく、このポリメラーゼによって合成されたRNAに特異的です。 前駆体mRNAは、核から出て機能的なタンパク質に翻訳される成熟mRNAになる前に、5'キャッピング、スプライシング、3'ポリアデニル化といった一連の修飾を受け、5'末端のキャッピングはこれらの修飾の最初のものです。RNAトリホスファターゼ、グアニリルトランスフェラーゼ（またはCE）、およびメチルトランスフェラーゼの3つの酵素が 、mRNAへのメチル化された5'キャップの付加に関与している。
キャッピングは、 RNAトリホスファターゼ、グアニリルトランスフェラーゼ、およびメチルトランスフェラーゼという酵素を利用する3段階のプロセスです。 [ 1 ] [ 2 ] 一連の3つのステップを経て、転写がまだ行われている間に、キャップは成長中のmRNA鎖の最初のヌクレオチドの5'ヒドロキシル基に追加されます。 [ 1 ] [ 3 ]まず、RNA 5'トリホスファターゼが5'トリリン酸基を加水分解してジホスフェートRNAを生成します。次に、グアニリルトランスフェラーゼによるGMP の付加によりグアノシンキャップが生成されます。最後に、RNAメチルトランスフェラーゼがグアノシンキャップにメチル基を転移させて、転写産物の5'末端に結合した7-メチルグアノシンキャップを生成します。[ 1 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]これら 3 つの酵素は、まとめてキャッピング酵素と呼ばれ、DNA から pre-mRNA への転写に必要な酵素である RNA ポリメラーゼ II に結合している場合にのみ、それぞれの反応を触媒することができます。RNA ポリメラーゼ II とキャッピング酵素の複合体が形成されると、RNA ポリメラーゼ II によって mRNA が生成される際に、キャッピング酵素が mRNA にキャップを追加することができます。[ 6 ]
真核生物のRNAは、核から輸送され、機能的なタンパク質に正常に翻訳されるために一連の修飾を受ける必要があり、その多くは最初に起こるmRNA修飾であるmRNAキャッピングに依存しています。[ 6 ] [ 7 ] 5'キャッピングはmRNAの安定性に不可欠であり、mRNAプロセシング、mRNA輸送、および翻訳を促進します。[ 1 ] [ 7 ] [ 8 ]キャッピングが成功すると、追加のリン酸化イベントによってRNAスプライシングに必要な機構の動員が開始されます。RNAスプライシングとは、イントロンを除去して成熟mRNAを生成するプロセスです。[ 6 ] mRNAへのキャップの付加は、保護されていないRNAを分解するエキソヌクレアーゼから転写産物を保護し、mRNAが翻訳されてタンパク質を形成できるように核外輸送プロセスを助けます。[ 1 ] 5'キャップの機能は、RNAの最終的な発現に不可欠です。[ 1 ]
キャッピング酵素は、 DNAリガーゼやRNAリガーゼも含む共有結合ヌクレオチジルトランスフェラーゼスーパーファミリーの一部である。[ 7 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] このスーパーファミリーの酵素は、次のような類似点を共有している。
キャッピング酵素は、ヌクレオチジルトランスフェラーゼ（NTase）ドメインとC末端オリゴヌクレオチド結合（OB）ドメインの2つのドメインから構成されています。 [ 7 ] [ 10 ]キャッピング酵素、DNAリガーゼ、RNAリガーゼで保存されているNTaseドメインは、I、III、IIIa、IV、Vの5つのモチーフから構成されています。 [ 7 ] [ 10 ] モチーフIまたはKxDGは、共有結合（リジル）-N-GMP中間体が形成される活性部位です。[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 11 ] NTaseドメインとOBドメインの両方が、キャッピング反応を助ける構造変化を起こします。[ 10 ]
キャッピング酵素は真核細胞の核に存在します。[ 8 ] [ 12 ] 生物によって、キャッピング酵素は単機能ポリペプチドまたは二機能ポリペプチドのいずれかです。[ 4 ] [ 5 ] Saccharomyces cerevisiae のグアニリルトランスフェラーゼ (Ceg1)はCEG1遺伝子によってコードされ、459 個のアミノ酸 (53 kDa) から構成されています。[ 4 ] [ 13 ] RNA トリホスファターゼ (Cet1) は、 CET1遺伝子によってコードされる、別の 549 個のアミノ酸からなるポリペプチド(80 kDa)です。[ 4 ] [ 13 ] [ 14 ] ヒトのキャッピング酵素は、トリホスファターゼ (N 末端) ドメインとグアニリルトランスフェラーゼ (C 末端) ドメインの両方を持つ二機能ポリペプチドの例です。[ 15 ] [ 16 ]キャッピング酵素のヒトmRNAグアニリルトランスフェラーゼドメインは、7つのヘリックスと15本のβストランドから構成され、これらは3本、5本、7本のストランドにグループ化され、逆平行βシートとして配置されています。[ 15 ]酵素構造には、ヒンジ、ベース、リッドと呼ばれる3つのサブドメインがあります。[ 15 ] GTP結合部位は、ヒンジドメインとベースドメインの間に位置します。[ 15 ] リッドドメインは、GTP結合部位、リジンを連結するホスホアミド、および周囲の残基からなる活性部位クレフトのコンフォメーションを決定します。 [ 15 ]グアニリルトランスフェラーゼドメインは、 25アミノ酸の柔軟なループ構造を介してトリホスファターゼドメインに連結されています。[ 15 ]
スプライシングは7-メチルグアノシンキャップの存在に依存している。スプライシングの欠陥は、グアニリルトランスフェラーゼの変異によって発生する可能性があり、これにより酵素活性が阻害され、キャップの形成が妨げられる。ただし、その影響の深刻さはグアニリルトランスフェラーゼの変異に依存する。[ 1 ] さらに、グアニリルトランスフェラーゼはNELFによって媒介される転写抑制を解除する。[ 1 ] [ 17 ] NELFはDSIF とともに転写伸長を阻害する。[ 1 ] [ 5 ] したがって、この酵素の変異は転写伸長に影響を与える可能性がある。[ 1 ]