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リボソームフレームシフト（翻訳フレームシフトまたは翻訳再コーディングとも呼ばれる）は、翻訳中に発生し、単一のmRNAから複数の異なるタンパク質が生成される生物学的現象である。 [ 1 ]このプロセスはmRNAのヌクレオチド配列によってプログラムされ、二次的な3次元mRNA構造の影響を受けることもある。 [ 2 ]これは主にウイルス（特にレトロウイルス）、レトロトランスポゾン、細菌挿入エレメント、および一部の細胞遺伝子で報告されている。 [ 3 ]
小分子、タンパク質、核酸もフレームシフトのレベルを刺激することがわかっています。2023年12月には、BNT162b2 （ファイザー・ビオンテック）抗COVID-19ワクチンに反応してin vitro転写（IVT）されたmRNAがリボソームのフレームシフトを引き起こしたことが報告されました。[ 4 ]
タンパク質は、mRNA鎖上のトリヌクレオチド（コドンとも呼ばれる）を、アミノ酸メチオニンを始点（開始）コドンAUGとして、 mRNAの一端から他端（5'末端から3'末端）へと読み取ることによって翻訳される。各コドンは1つのアミノ酸に翻訳される。コード自体は縮重していると考えられており、特定のアミノ酸は複数のコドンによって指定される可能性がある。しかし、読み取り枠内で3で割り切れない数のヌクレオチドがずれると、後続のコドンは異なる方法で読み取られることになる。[ 5 ]これにより、リボソームの読み取り枠が実質的に変化する。
この例では、次の3文字の単語で構成された文は、最初から読むと意味が通じます。
|開始|猫と男は太っている... |開始|123 123 123 123 123 123 123 ...
しかし、読み枠が最初の単語のTと H の間に 1 文字だけシフトされている場合 (0 位置をTの初期位置とみなすと実質的に +1 フレームシフト)、
T |開始|HEC ATA NDT HEM ANA REF AT... -|開始|123 123 123 123 123 123 12...
すると文の意味が変わってしまい、全く意味が通じなくなる。
この例では、次の配列は、 MT-ATP8とMT-ATP6という2つの重複する遺伝子を含むヒトミトコンドリアゲノムの領域です。これらのコドンは、最初から読み取るとリボソームにとって意味のあるものであり、脊椎動物のミトコンドリアコードに基づいてアミノ酸（AA）に翻訳されます。
|開始| A AC GAA AAT CTG TTC GCT TCA ... |開始|123 123 123 123 123 123 123 ... | AA | NENLFAS ...
しかし、読み枠を1ヌクレオチド下流に変更してみましょう（0位をAの初期位置とすると、実質的に「+1フレームシフト」になります）。
A |開始|ACG AAA ATC TGT TCG CTT CA... -|開始|123 123 123 123 123 123 12... | AA | TKICSL ...
この+1フレームシフトにより、DNA配列の読み取り方が変化する。そのため、異なるコドン読み取り枠によって異なるアミノ酸が生成される。
翻訳中のリボソームの場合、フレームシフトは、ナンセンス変異、フレームシフト後の早期終止コドン、またはフレームシフト後の全く新しいタンパク質の生成のいずれかをもたらす可能性があります。フレームシフトがナンセンス変異をもたらす場合、ナンセンス媒介mRNA分解（NMD）経路がmRNA転写産物を破壊する可能性があるため、フレームシフトは関連遺伝子の発現レベルを調節する方法として機能します。 [ 6 ]
新規タンパク質やオフターゲットタンパク質が生成されると、他の未知の結果を引き起こす可能性がある。[ 4 ]
ウイルスでは、この現象は特定の部位で起こるようにプログラムされており、ウイルスが同じmRNAから複数の種類のタンパク質をコードすることを可能にします。注目すべき例としては、 HIV-1（ヒト免疫不全ウイルス）[ 7 ] 、 RSV（ラウス肉腫ウイルス）[ 8 ]、インフルエンザウイルス（インフルエンザ）[ 9 ]があり、これらはすべてフレームシフトを利用して、0フレーム（通常の翻訳）と「トランスフレーム」（フレームシフト配列によってコードされる）タンパク質の適切な比率を作り出しています。ウイルスにおけるその利用は、主に、より多くの遺伝情報をより少ない量の遺伝物質に圧縮するためです。
真核生物では、早期終止コドンを生成し、機能しない転写産物を生成することによって、遺伝子発現レベルの調節に役割を果たしているようです。[ 3 ] [ 10 ]
最も一般的なフレームシフトの種類は、-1 フレームシフトまたはプログラムされた -1 リボソームフレームシフト (-1 PRF)です。その他のまれなフレームシフトの種類には、+1 および -2 フレームシフトがあります。[ 2 ] -1 および +1 フレームシフトは、以下で説明する異なるメカニズムによって制御されていると考えられています。どちらのメカニズムも速度論的に駆動されます。
−1フレームシフトでは、リボソームが1ヌクレオチド分戻って−1フレームで翻訳を続けます。−1フレームシフトシグナルは通常、スリッパリー配列、スペーサー領域、およびRNA二次構造の3つの要素から構成されます。スリッパリー配列はX_XXY_YYHモチーフに適合し、XXXは任意の3つの同一ヌクレオチド（例外もあります）、YYYは通常UUUまたはAAA、HはA、CまたはUです。このモチーフの構造には2つの隣接する3ヌクレオチド繰り返しが含まれているため、−1フレームシフトはタンデムスリッページモデルで説明されると考えられています。このモデルでは、リボソームP部位tRNAアンチコドンがXXYからXXXに、A部位アンチコドンがYYHからYYYに同時に再ペアリングします。これらの新しいペアリングは、3番目の位置を除いて0フレームのペアリングと同一です。この違いは、コドンの 3 番目のヌクレオチド（ウォブル位置として知られる）が1 番目のヌクレオチドと 2 番目のヌクレオチドよりも tRNA アンチコドン結合特異性が弱いため、アンチコドン結合を著しく阻害するものではありません。[ 2 ] [ 11 ]このモデルでは、モチーフ構造は、アンチコドンの 1 番目の位置と 2 番目の位置が 0 フレームと -1 フレームの両方で完全にペアリングできる必要があるという事実によって説明されます。したがって、ヌクレオチド 2 と 1 は同一である必要があり、ヌクレオチド 3 と 2 も同一である必要があり、スリップする各 tRNA に対して 3 つの同一ヌクレオチドの配列が必要になります。[ 12 ]
+1 フレームシフトシグナルの滑りやすい配列には同じモチーフはなく、代わりに、まれなアミノ酸をコードする配列でリボソームを一時停止させることで機能しているようです。[ 13 ]リボソームは、配列に関係なく、一定の速度でタンパク質を翻訳するわけではありません。特定のコドンの翻訳には時間がかかります。これは、細胞質にその特定のコドンのtRNAが均等に存在しないためです。[ 14 ]この遅延のため、コドン配列の小さなセクションには、リボソームのフレームシフトの速度を制御する部分があります。具体的には、リボソームはまれな tRNA の到着を待つために一時停止する必要があり、これにより、リボソームとそれに関連する tRNA が新しいフレームに滑り込む運動学的有利性が高まります。[ 13 ] [ 15 ]このモデルでは、読み取りフレームの変化は 2 回の tRNA スリップではなく、1 回の tRNA スリップによって引き起こされます。
リボソームのフレームシフトは、mRNA配列に見られる機構（シス作用）によって制御されることがある。これは一般的に、スリッパリー配列、RNA二次構造、またはその両方を指す。-1フレームシフトシグナルは、通常5～9ヌクレオチド長のスペーサー領域によって隔てられた両方の要素から構成される。[ 2 ]フレームシフトは、リボソームまたはmRNAと相互作用する他の分子（トランス作用）によっても誘導されることがある。
スリッパリー配列は、読み取りリボソームを「滑らせて」数個のヌクレオチド（通常は1個のみ）をスキップし、その後まったく異なるフレームを読み取る可能性があります。プログラムされた-1リボソームフレームシフトでは、スリッパリー配列はX_XXY_YYHモチーフに適合します。ここで、XXXは任意の3つの同一ヌクレオチド（例外もあります）、YYYは通常UUUまたはAAAを表し、HはA、CまたはUです。+1フレームシフトの場合、スリッパリー配列には対応するtRNAがよりまれなコドンが含まれており、新しいフレームのコドンにはより一般的なtRNAが関連しているため、フレームシフトが優先されます。[ 13 ]スリッパリー配列の1つの例はmRNA上のポリAであり、他の要素がなくてもリボソームのスリッページを誘発することが知られています。[ 16 ]
効率的なリボソームのフレームシフトには、一般的に、スリッパリー配列の効果を高めるためのRNA二次構造の存在が必要である。[ 12 ] RNA構造（ステムループまたはシュードノット）は、翻訳中にリボソームをスリッパリー部位で一時停止させ、リボソームを再配置して-1位置から複製を継続させると考えられている。これは、構造がリボソームmRNAトンネルに引っかかることでリボソームの動きを物理的にブロックするためであると考えられている。[ 2 ]このモデルは、シュードノットの強度が関連するmRNAのフレームシフトのレベルと正の相関関係にあるという事実によって裏付けられている。[ 3 ] [ 17 ]
以下は、さまざまな生物でフレームシフトを刺激することが示されているフレームシフト要素の予測二次構造の例です。示されている構造の大部分はステムループですが、ALIL（頂端ループ-内部ループ）擬似結び目構造は例外です。これらの画像では、mRNAの大きくて不完全な円は線状領域を表しています。同じ鎖上の別の領域とmRNAの領域が塩基対を形成することによって「ステム」が形成される二次的な「ステムループ」構造は、線状DNAから突き出ているように示されています。HIVリボソームフレームシフトシグナルの線状領域には、高度に保存されたUUU UUU Aスリッパリー配列が含まれています。他の多くの予測構造にも、スリッパリー配列の候補が含まれています。
画像中のmRNA配列は、一連のガイドラインに従って読み取ることができます。A、T、C、Gは特定の位置のヌクレオチドを表しますが、その位置に複数の種類のヌクレオチドが存在する可能性がある場合に使用される曖昧さを表す文字もあります。国際純正・応用化学連合（IUPAC）の規則は次のとおりです。[ 18 ]
これらの記号はRNAにも適用できますが、T（チミン）の代わりにU（ウラシル）が使用されます。[ 18 ]
小分子、タンパク質、核酸がフレームシフトのレベルを刺激することがわかっています。たとえば、ポリアミン合成経路の負のフィードバックループのメカニズムは、ポリアミンレベルが+1フレームシフトの増加を刺激し、その結果阻害酵素が生成されるというものです。コドン認識に必要な特定のタンパク質や、mRNA配列に直接結合するタンパク質も、フレームシフトのレベルを調節することが示されています。マイクロRNA（miRNA）分子はRNA二次構造にハイブリダイズしてその強度に影響を与える可能性があります。[ 6 ]