デグラドソーム

デグラドソームは、ほとんどの細菌に存在する多タンパク質複合体であり、リボソームRNAの処理とメッセンジャーRNAの分解に関与し、非コードRNAによって制御されています。デグラドソームには、 RNAヘリカーゼB、RNase E、ポリヌクレオチドホスホリラーゼというタンパク質が含まれています。^[1]

細胞内の RNA の貯蔵量は絶えず変動しています。たとえば、大腸菌ではメッセンジャーRNAの寿命は 2 ～ 25 分ですが、他の細菌ではもっと長く続くことがあります。休止中の細胞でも、RNA は定常状態で分解され、このプロセスで生成されたヌクレオチドは、後で核酸合成の新たなラウンドに再利用されます。RNA のターンオーバーは、遺伝子調節と品質管理にとって非常に重要です。

すべての生物は、RNAを分解するためのさまざまなツールを持っています。たとえば、リボヌクレアーゼ、ヘリカーゼ、3'末端ヌクレオチド転移酵素（転写産物に末端を付加する）、5'末端キャップ形成および脱キャップ形成酵素、RNAを基質として提示したり認識したりするためのモデル化に役立つさまざまなRNA結合タンパク質などです。これらのタンパク質は、多くの場合、それらの活動が協調的または協力的である安定した複合体を形成します。これらのRNA代謝タンパク質の多くは、大腸菌の多酵素RNAデグラドソームの成分に表れています。大腸菌は、加水分解エンドリボヌクレアーゼRNase E、リン酸分解エキソリボヌクレアーゼPNPase、ATP依存性RNAヘリカーゼ（RhIB）、および解糖酵素エノラーゼの4つの基本成分で構成されています。

RNA デグラドソームは、2 つの異なる研究室で、大腸菌、RNase E、および RNA 分解酵素 (具体的には PNPase) の活性に影響を与える可能性のある因子の精製と特性評価に取り組んでいるときに発見されました。これは、その主要な化合物のうち 2 つが研究されているときに発見されました。

この多酵素の構成は生物によって異なる場合があります。大腸菌の多タンパク質複合体 RNA デグラドソームは、4 つの標準的なコンポーネントで構成されています。

• RNase E : RNase EのN末端半分に分けられる大きな加水分解エンドリボヌクレアーゼで、触媒ドメインを含み、核酸活性が存在する場所である。C末端半分は、デグラドソームの組み立てに必要な足場を提供する、機能が知られていない大きな鎖構造化されていないタンパク質である。この領域は非常に柔軟であるため、デグラドソームの成分が相互作用しやすくなります。大腸菌では、RNase Eは細胞膜に位置し、蛍光顕微鏡で観察できます。^[2]その構造は1061個のアミノ酸で構成され、分子量は118 kDaです。
• PNPase : RNA を分解するリン酸分解性エキソリボヌクレアーゼ。その鎖は 421 個のアミノ酸から成り、分子量は 47 kDa です。
• エノラーゼ：432 個のアミノ酸から構成される解糖酵素エノラーゼで、分子量は 46 kDa です。
• RNAヘリカーゼ（RhlB）：酵素の大きなファミリーで、このタイプは711個のアミノ酸を持ち、重量は77kDaです。^{[3]このDEADボックスタンパク質（このタイプのタンパク質は、通常RNAに関連するさまざまな代謝プロセスに関与しています）が}大腸菌のデグラドソームで特定されたことは、RNAヘリカーゼがmRNAの分解に関与している可能性があることを示す最初の指標の1つでした。

RNAデグラドソームには、異なるタンパク質を持つ代替形態がいくつか報告されている。デグラドソームの補足的な代替構成要素は、PcnB（ポリAポリメラーゼ）とRNAヘリカーゼのRhlEとSrmBである。コールドショック中の他の代替構成要素には、RNAヘリカーゼCsdAがある。定常期中の追加の代替デグラドソーム構成要素には、Rnr（RNase R）と推定RNAヘリカーゼHrpAがある。Ppk（ポリリン酸キナーゼ）は、複合体の一部であると報告されている別の構成要素であり、RNAシャペロンHfq、PAP（前立腺酸性ホスファターゼ）、その他の種類のシャペロンやリボソームタンパク質と同じである。これらは、大腸菌の細胞抽出デグラドソーム調製物で発見されている。^[4]

RNAデグラドソームの構造は、図で見えるほど厳密ではありません。これは、それがどのように機能するかを理解するためのモデルに過ぎないからです。RNAデグラドソームの構造は動的であり、各コンポーネントは近くにあるコンポーネントと相互作用します。したがって、この構造は、RNAが基質として各コンポーネントと相互作用できる分子ドメインのようなもので、これが起こると、RNAが複合体から脱出するのは非常に困難になります。^[3]

RNAデグラドソームは、大腸菌やシュードアルテロモナス・ハロプランクティスなどの多くの細菌におけるRNA代謝と遺伝子発現の転写後制御に関与する巨大な多酵素複合体である。この多タンパク質複合体は、構造化されたRNA前駆体を成熟の過程で処理する機械としても機能する。^{[5] [6]}

RNAヘリカーゼは、RNAステムループの二重らせん構造を形成する分解プロセスを助けると考えられています。時折、rRNAとデグラドソームの共精製が認められ、これは複合体がrRNAとmRNAの分解に関与している可能性を示唆しています。デグラドソームの役割については明確な情報はほとんどありません。大腸菌での転写産物の分解のステップを調べると、まずエンドリボヌクレアーゼが基質を切断し、その後エキソリボヌクレアーゼが生成物に作用できることがわかっています。RhIBはそれ自体ではほとんど活性がありませんが、RNAse Eとの相互作用によって活性が刺激されます。^[7] RNAの分解プロセスにおけるエノラーゼの役割はまだ適切に説明されていませんが、分解プロセス中に複合体をより特異的にするのに役立つようです。^{[8] [9]}

細菌RNAデグラドソームの特に興味深い点は、研究対象の複合体の多くに代謝酵素が存在することです。大腸菌デグラドソームに存在するエノラーゼ酵素に加えて、代謝酵素アコニターゼとホスホフルクトキナーゼがそれぞれC. crescentusとB. subtilisのデグラドソームで特定されています。^{[10] [11]}これらの酵素が存在する理由は現在のところ不明です。

この多タンパク質複合体は、真核細胞ではmiRNA 、細菌ではsRNAと呼ばれる非コードRNAによって刺激される。通常、アミノ酸の小さな配列がmRNAを標的にして破壊するために使用される。ここから、それを行うには、翻訳開始領域（TIR）を標的にするか、コードDNA配列（CDS）を標的にするかの2つの方法がある。まず、標的mRNAにsRNAを結合するには、Hfq（シャペロンタンパク質）が必要である。結合が完了すると、複合体Hfq-sRnaがTIRで終わる場合、リボソーム結合部位（RBS）をブロックしてリボソームが翻訳できないようにし、ヌクレアーゼ（RNase E）を活性化してmRNAを排除する。別の可能性としては、別の領域で終わることがあり、その場合、複合体は翻訳のフィニッシャーポイントとして機能する。このようにして、リボソームはデコードという仕事を行うことができ、複合体に到達するとプロセスは停止し、そこですべての破壊手順がオンになる。^[5]

RNA の分解プロセスは非常に複雑です。理解しやすくするために、最もよく知られているプロセスである大腸菌の mRNA 分解プロセスを例に挙げます。このプロセスは主にエンドヌクレアーゼとリボヌクレアーゼによって媒介されます。酵素 RNase II と PNPase (ポリヌクレオチドホスホリラーゼ) は、3'→5' の方法で mRNA を分解します。デグラドソームには、いくつかのリボヌクレアーゼを含む 4 つのコンパートメントがあります。最初、合成された RNA はポリリン酸構造です。このため、 RNA ピロホスホヒドロラーゼ PppH の作用によって一リン酸を得るために、脱リン酸化が必要です。転写産物には、リン酸末端 (P 末端) と末端のステムループ構造の 2 つの部分があります。P 末端は RNase E によってエンドリボ核酸分解的に切断され、ステムループは RNA ヘリカーゼによって消化されます。二次構造が存在する場合、PNPase などのエキソリボヌクレアーゼによる還元を簡素化するために、ポリメラーゼ PAP のパフォーマンスが必要です。最後に、スクラップはオリゴリボヌクレアーゼによって処理されます。

このプロセスは他の種でも類似しており、酵素機構のみが異なります。たとえば、枯草菌はエンドリボヌクレアーゼとしてRNase Eを使用する代わりに、RNase YまたはRNase Jを使用します。また、古細菌では、この仕事にエキソソーム（小胞）を使用します。^[5]

デグラドソームは構造が動的で、組成が可変で、特定の実験室条件下では必須ではないが、多くの細菌種（古細菌、真核生物、大腸菌、ミトコンドリアなど）の進化を通じて維持されてきた。これはおそらく、全体的な細胞制御におけるその多様な貢献によるものと考えられる。デグラドソームの存在は大腸菌にとって選択的な利点であることが実験的に実証されている。^[5]

デグラドソームのような構造は、多くのγ-プロテオバクテリアの一部であると考えられており、実際に他の遠方の細菌系統でも発見されています。これらはRNase Eに基づいて構築されています。ただし、これらのデグラドソームのようなアセンブリの構成は常に同じではなく、一部のタンパク質成分が異なる可能性があります。

ヒトや他の動物の腸管には大腸菌が共生している。大腸菌は研究室で最も研究されている生物の一つであり、細菌や他の生命領域における遺伝子調節を理解するための有用なモデルとなっている。大腸菌のRNAデグラドソームは、RNA代謝において多様な役割を果たす構造である。これは、生命のあらゆる領域に見られる類似のアセンブリと相同な構成要素および機能的類似性を共有している。その構成要素の1つは、タンパク質間相互作用によって活性化され、エネルギー依存モードでRNA分解を行うリボヌクレアーゼと協力するATP依存性モーターである。^[5]

大腸菌には5'→3'分解経路がありません。mRNAには5'キャップ末端がなく、5'→3'エキソヌクレアーゼも知られていません。他の真正細菌でも同じことが起こるため、5'→3'分解経路は真核細胞に特有の特性である可能性があります。^[7]

• エクソソーム複合体
• プロテアソーム