デキャッピング複合体

mRNAデキャッピング複合体は、真核細胞において 5'キャップの除去を担うタンパク質複合体である。^[1] デキャッピング複合体の活性酵素は二葉のNudixファミリー酵素Dcp2であり、5'キャップを加水分解して7mGDPと5'-モノリン酸化mRNAを放出する。^[1]このデキャッピングされたmRNAは翻訳が阻害され、エキソヌクレアーゼによって分解される。^[2]コアとなるデキャッピング複合体は真核生物で保存されている。Dcp2はデキャッピングタンパク質1（Dcp1）によって活性化され、高等真核生物ではスキャフォールドタンパク質VCSによって結合される。^[3]デキャッピング複合体は他の多くの補助タンパク質とともに、細胞質内のPボディに組み立てられる。

mRNAは分解される必要があります。そうしないと、細胞内を漂い続け、不要なタンパク質をランダムに生成します。mRNA 5'キャップは、mRNAが使用される前に分解されないように特別に設計されているため、mRNA分解経路がそれを処理できるように除去する必要があります。^[4]

Dcp2は実際にmRNAのキャップを外すタンパク質であり、複合体内の残りのタンパク質はその機能を強化し、 mRNAを5'キャップに結合させる化学結合を加水分解することを可能にする。^[5] Dcp2のNudixドメインは、mRNAと5'キャップを一緒につなぐ三リン酸橋の結合の1つを加水分解し、7-メチルグアノシンキャップを外すことにより、mRNAを細胞内のエキソヌクレアーゼによる分解にさらす。 ^[4]

単細胞生物も多細胞生物もmRNAを除去するためにデキャップする必要がありますが、異なる生物はこのプロセスを実行するタンパク質がわずかに異なります。同じままのタンパク質も多くありますが、単細胞（酵母）と多細胞（後生動物）のデキャップ複合体にはいくつかの重要な違いがあります。^[5]

酵母（S. cerevisiae）では、Dcp2は脱キャップ活性化因子Dcp1、ヘリカーゼDhh1、エキソヌクレアーゼXrn1、ナンセンス媒介分解因子Upf1、Upf2、Upf3、LSm複合体、Pat1、およびその他のさまざまなタンパク質と結合しています。これらのタンパク質はすべてPボディと呼ばれる細胞質構造に局在します。注目すべきことに、酵母ではPボディ内に翻訳因子やリボソームタンパク質はありません。^[6]

高等真核生物は、脱キャップ複合体のわずかに異なるメンバーを持っています。酵素Dcp2は、依然としてDcp1とホロ酵素を形成する触媒サブユニットであり、 Xrn1、Upf1、Upf2、Upf3、LSm複合体、およびDhh1相同分子種DDX6などの補助タンパク質と相互作用します。^{[5] [7] [8]}植物と哺乳類に固有のタンパク質には、ベータプロペラタンパク質Hedlsと脱キャップのエンハンサーEdc3があります。^{[9]研究者は、}免疫沈降 により複合体が物理的にどのように結合するかを知っていますが、複合体の各部分の構造の詳細は、タンパク質結晶化と組み合わせたX線結晶構造解析を使用することで発見されました。以下で説明するように、これらのタンパク質はそれぞれ脱キャップ複合体に異なるものをもたらします。

Dcp2 は、脱キャッププロセスの主な触媒として、ヌディックスドメインと呼ばれる特定のアミノ酸パターンに依存して、 5'キャップと整列し、それを加水分解します。^[5]ヌディックスドメインは、複数のアルファヘリックスの間に2つのベータシートを詰め込むことによって作られ、さまざまな長さとサイズにすることができ、一般的にタンパク質が脱リン酸化を実行するために使用されます。脱リン酸化では、リン酸と分子の残りの部分との間の結合に水分子を挿入することでリン酸を取り除きます。 ^[10] Dcp2 の場合、通常の細胞状態では負に帯電する複数のグルタミン酸側鎖が含まれており、これによりタンパク質は水分子を操作して、mRNA の 5' 末端を7-メチルグアノシンキャップに接続する三リン酸橋を加水分解することができます。^[5]したがって、nudixドメインはDcp2が5'キャップを除去することを可能にし、その結果、2つのリン酸基が結合した7-メチルグアノシンである7mGDPと、モノリン酸化mRNA鎖が生成されます。

nudixドメインの前にはN末端調節ドメイン（NRD）があり、これが5' mRNAキャップの加水分解をさらに促進します。nudixドメインの後にはBox Bと呼ばれるC末端領域があり、これがDcp2をRNAに結合させます。^[5]これら3つの主要モチーフすべてにより、Dcp2は5' mRNAキャップを見つけ、しっかりと結合し、加水分解することができます。これは、 Dcp2結合およびデキャップ要素と呼ばれるキャップから10塩基対以内のRNA内のヘアピンループを認識するか、別のタンパク質がmRNA内の塩基対パターンを認識してDcp2-Dcp1ホロ酵素を直接リクルートすることによって行われます。^[8]残念ながら、Dcp2の動作は遅く、mRNAを適時にデキャップできるように、他のいくつかのタンパク質との連携が必要です。

Dcp1は調節サブユニットであり、Dcp2と結合してmRNAを適切にデキャップできるホロ酵素を作成します。 ^{[11] Dcp1がなければ、Dcp2は}体内で何もデキャップすることは実際には不可能であり、体外では非常にゆっくりとしか機能しないため、このホロ酵素の形成はデキャップに不可欠なプロセスになります。^[5]

Dcp1 の二次構造は、7 つのベータシートと 3 つのアルファヘリックスから構成され、これらが集まって V 字型の三次構造を形成します。Dcp1 の特徴は、EVH1 ドメインと、他のタンパク質上のプロリンリッチ配列 (PRS)を認識するドメインです。EVH1 ドメインは、前述の Dcp2 の NRD と直接相互作用し、mRNA の脱キャップに直接役立つと考えられていますが、その仕組みは不明です。PRS を認識するドメインは、主に疎水性アミノ酸で構成されており、Dcp1 構造の「V」の溝の中にあります。これは、Dcp1 の脱キャップ複合体内の他のタンパク質に結合するために使用されます。^[11]

PNRC2 はDcp1 に付着してその効果を高め、脱キャップを促進するとともに、Upf1 を脱キャップ複合体にリクルートします。これは疎水性のプロリンに富む配列を持ち、同様に疎水性の Dcp1 の溝に強く付着するため、Dcp1 はPNRC2のプロリンに富む領域に結合し、それによって Dcp2 の機能をさらに高めます。現在の研究では、PNRC2 が Dcp2 と Dcp1 を結び付け、Dcp2-Dcp1ホロ酵素をより安定させ、したがって Dcp2 の有効性を高めることが示唆されていますが、その仕組みの詳細は不明です。^[12] Upf1のリクルートにより、脱キャップ複合体はナンセンス mRNA 分解に関与できるようになり、PNRC2 は Dcp2 が誤って転写されたmRNA を破壊する調節経路と接続する手段となります。^[13]

Upf1、Upf2、Upf3は、ナンセンス変異を介したmRNA分解の制御経路に関与するタンパク質であり、mRNAの実際の脱キャップには関与しない。Upf1のみが脱キャップ複合体に直接結合するのに対し、Upf2とUpf3はmRNAに結合し、その後Upf1に結合して誤ったmRNAの破壊を促進する。これらは複合体の活性化因子であり、複合体を誤って形成されたmRNAに向けることができるが、実際にmRNAの脱キャップを助けるわけではない。^[8]

Dhh1の相同遺伝子であるDDX6も、5'キャップを加水分解しながらDcp2-Dcp1ホロ酵素の有効性を高めます。^[14]これはヘリカーゼであるため、mRNAの5'末端を再構成してDcp2が5'キャップにアクセスしやすくし、Dcp1を刺激して、キャップ解除複合体の残りの部分に結合したときにDcp2とよりよく相互作用すると考えられています。^[15]

Edc3 はDcp2-Dcp1 ホロ酵素をさらに活性化し、mRNA を素早くデキャップします。N末端に LSm ドメインがあり、Dcp1 のC 末端にある HLM フラグメントと呼ばれる特定のアミノ酸モチーフと相互作用して、Edc3 が結合できるようにします。このタンパク質のもう 1 つの重要な部分は FDF リンカーです。これは長く構造化されていないアミノ酸の連続体で、DDX6 と結合して mRNA と直接結合するのを防ぎ、代わりにデキャップ複合体内のタンパク質と相互作用できるようにします。最後に注目すべきドメインは、mRNA と二量体化し、デキャップ複合体の位置の周囲にP ボディを作成するのに役立つ Yjef-N C 末端ドメインです。^[5]

Pボディは本質的に、キャップが外された、または抑制されたmRNAの塊であり、キャップ解除複合体やナンセンス媒介mRNA分解機構などのmRNA分解因子と混合されているため、Dcp2によって改変されたmRNAを最終的に破壊するために重要です。^[16] Edc3がキャップ解除複合体の周囲にPボディを作成すると、Dcp2がmRNA 5'キャップを見つけて加水分解することが容易になり、複合体全体の効率が向上します。^[17]

Pat1 は、脱キャップ複合体の効率を高めるもう 1 つのタンパク質です。^[17]このタンパク質には 3 つの主要なドメインがあります。1 つは mRNA の脱キャップに必要であり、Dcp2-Dcp1 ホロ酵素が脱キャップするのを直接的に助けます。他の 2 つはタンパク質が mRNA を脱キャップするのを容易にしますが、リン酸結合の加水分解には直接関与しません。^[16] Pat1 は脱キャップ複合体内のさまざまなタンパク質と多くの相互作用があり、何かを脱キャップするときにすべてをまとめるため、「足場タンパク質」として知られています。N 末端ドメインは DXX6 と相互作用して Dcp1 を活性化できるように近づけ、別の部分は Edc3 とともに P ボディの作成を助け、C 末端ドメインは Dcp1–Dcp2、Lsm1–7 複合体、およびXrn1 を複合体に取り付けます。^{[5] [18]}

Xrn1 は、キャップが外されたばかりの mRNA を分解する 5 ' から 3' へのエキソヌクレアーゼです。これは、Dcp2 がキャップを加水分解して7-メチルグアノシンキャップと、キャップを mRNA に取り付ける 3 つのリン酸のうち 2 つを取り除いた後に残る、mRNA の 5' 一リン酸末端をターゲットとします。現在の理論では、Xrn1 の構造は、Dcp2 がまだキャップを外していない mRNA とタンパク質が相互作用するのを物理的にブロックする立体障害があるような構造になっているため、キャップされた mRNA が Xrn1 と相互作用できないと考えられています。^[7]