RNA生物学の歴史

RNA（リボ核酸）の研究からは、生化学、遺伝学、微生物学、分子生物学、分子進化、構造生物学の分野における独創的な研究など、生物学 における数多くの重要な発見が生まれています。2010年現在、RNAの研究を含む実験研究で30人の科学者がノーベル賞を受賞しています。この記事では、生物学的に非常に重要な特定の発見について説明します。

関連情報については、分子生物学の歴史と遺伝学の歴史に関する記事を参照してください。背景情報については、 RNAと核酸に関する記事を参照してください。

1900年代初頭に初めて研究されたとき、RNAとDNAの化学的、生物学的な違いは明らかではなく、それらは単離された物質にちなんで名付けられました。RNAは当初「酵母核酸」、DNAは「胸腺核酸」として知られていました。^[1]炭水化物化学者は診断化学検査を使用して、2つの核酸が異なる糖を含むことを示しました。これにより、RNAの一般名が「リボース核酸」になりました。その他の初期の生化学研究では、RNAは高pHで容易に分解されるのに対し、DNAはアルカリで安定している（ただし変性している）ことが示されました。ヌクレオシド組成分析により、RNAにはチミンの代わりにウラシルを含むDNAと同様の核酸塩基が含まれており、RNAには少量の擬似ウリジンやジメチルグアニンなどのいくつかのマイナー核酸塩基成分が含まれていることが最初に示されました。^[2]

1933年、ジャン・ブラシェはウニの処女卵を研究中に、DNAは細胞核に存在し、RNAは細胞質にのみ存在すると示唆した。当時、「酵母核酸」（RNA）は植物にのみ存在し、「胸腺核酸」（DNA）は動物にのみ存在すると考えられていた。後者は四量体であり、細胞のpHを緩衝する機能を持つと考えられていた。^{[3] [4]} 1930年代、ヨアヒム・ヘンマーリングはアセタブラリアで実験を行い、細胞の形態形成と発達に対する核と細胞質の物質（後にそれぞれDNAとmRNAであることが判明）の寄与を区別し始めた。^{[5] [6]}

メッセンジャーRNAの概念は1950年代後半に登場し、DNAがRNAの形成につながり、RNAがタンパク質の合成につながると主張したクリックの「分子生物学のセントラルドグマ」の説明に関連しています。1960年代初頭には、大腸菌のlacオペロンとバクテリオファージT4のrII遺伝子座の変異の高度な遺伝子解析が、メッセンジャーRNAと遺伝コードの両方の性質を定義する上で役立ちました。細菌RNAの短命な性質と、細胞mRNA集団の非常に複雑な性質により、mRNAの生化学的分離は非常に困難でした。この問題は、1960年代に脊椎動物の網状赤血球の使用によって克服されました。 ^{[7]網状赤血球は、αグロビンとβグロビン（}ヘモグロビンの2つの主要なタンパク質鎖）をコードするRNAが非常に豊富なmRNAを大量に生成します。^[8] mRNAの存在を裏付ける最初の直接的な実験的証拠は、このようなヘモグロビン合成システムによって提供された。^[9]

1950 年代、ラットの肝臓での標識実験の結果、放射性アミノ酸は投与後非常に急速に「ミクロソーム」（後にリボソームと再定義）と結合し、細胞タンパク質に広く組み込まれる前に結合することがわかった。リボソームは電子顕微鏡を使用して初めて視覚化され、そのリボ核タンパク質成分は主に超高速加速度（重力の数十万倍に相当）を生成できる超遠心分離機内での沈降分析などの生物物理学的方法によって特定された。ポリソーム（単一の mRNA 分子に沿って移動する複数のリボソーム）は 1960 年代初頭に特定され、その研究により、リボソームが mRNA を 5' から 3' 方向に読み取り、^[10]ながらタンパク質を連続的に生成する方法が理解されるようになった。^[11]

生化学的分画実験により、放射性アミノ酸は小さなRNA分子に素早く取り込まれ、より大きなRNA含有粒子が沈殿する条件下でも可溶性のままであることが示された。これらの分子は可溶性RNA（sRNA）と呼ばれ、後に転移RNA（tRNA）と改名された。その後の研究では、（i）すべての細胞には複数の種のtRNAがあり、それぞれが特定のアミノ酸に関連付けられていること、（ii）tRNAを正しいアミノ酸に結合させる酵素の対応するセットがあること、（iii）tRNAアンチコドン配列がmRNAコドンと特定のデコード相互作用を形成することが示された。^[12]

遺伝暗号は、mRNA の特定のヌクレオチド配列をタンパク質(ポリペプチド)の特定のアミノ酸配列に翻訳することで構成されます。遺伝暗号を解読する能力は、3 つの異なる研究領域の融合から生まれました。(i) 人工 mRNA として機能する、特定の組成の合成 RNA 分子を生成する新しい方法、(ii)合成 mRNA をタンパク質に翻訳するために使用できるin vitro翻訳システムの開発、(iii) コードが 3 文字の「単語」(コドン) で記述されていることを証明した実験的および理論的な遺伝学研究です。今日、遺伝暗号に関する私たちの理解により、ゲノム研究で配列が決定されている数万の遺伝子のタンパク質産物のアミノ酸配列を予測することができます。^[13]

大腸菌由来のRNAポリメラーゼの生化学的精製と特性解析により、RNAポリメラーゼが転写を開始および終了するメカニズムと、それらのプロセスが遺伝子発現を制御するためにどのように制御されるか（つまり、遺伝子のオン/オフ）を理解することができました。大腸菌RNAポリメラーゼの単離に続いて、真核生物の核の3つのRNAポリメラーゼ、およびウイルスと細胞小器官に関連するRNAポリメラーゼが特定されました。転写の研究により、リプレッサー、アクチベーター、エンハンサーなど、転写に影響を与える多くのタンパク質因子も特定されました。RNAポリメラーゼの精製標品が利用できるようになったことで、研究者は試験管内でRNAを研究するための幅広い新しい方法を開発することができ、RNA生物学におけるその後の重要な発見の多くに直接つながりました。^[14]

タンパク質の配列を決定することはある程度日常的になってきていたが、核酸の配列を決定する方法は 1960 年代半ばまで利用できなかった。この独創的な研究では、特定の tRNA が大量に精製され、さまざまなリボヌクレアーゼを使用して重複する断片にスライスされた。各断片の詳細なヌクレオチド組成を分析することで、tRNA の配列を推測するために必要な情報が提供された。今日では、はるかに大きな核酸分子の配列分析は高度に自動化され、非常に高速化されている。^[15]

追加のtRNA分子が精製され、配列が決定された。最初の比較配列分析が行われ、進化を通じて配列が変化し、すべてのtRNAが非常によく似た二次構造（2次元構造）に折り畳まれ、多数の位置（3'末端のCCAなど）で同一の配列を持つことが明らかになった。tRNA分子の放射状の4本の腕の構造は「クローバーリーフ構造」と呼ばれ、共通の祖先と共通の生物学的機能を持つ配列の進化の結果である。tRNAクローバーリーフの発見以来、他の多数の相同RNA分子の比較分析により、共通の配列と折り畳みパターンが特定されている。^[16]

RNAバクテリオファージ MS2の全遺伝子の3569ヌクレオチド配列は、数年にわたって大規模な研究者チームによって決定され、一連の科学論文で報告されました。これらの結果により、現代の基準では非常に小さいとはいえ、初の完全なゲノムの解析が可能になりました。部分的に重複する遺伝子や、異なる生物がわずかに異なるコドン使用パターンを持っている可能性があることを示す最初の手がかりなど、いくつかの驚くべき特徴が特定されました。^[17]

レトロウイルスは一本鎖RNAゲノムを持ち、通常のDNAからRNAへの転写経路の逆経路であるDNA中間体を介して複製することが示されています。レトロウイルスは、このプロセスに不可欠なRNA依存性DNAポリメラーゼ（逆転写酵素）をコードしています。レトロウイルスの中には、がんに関連するものやエイズを引き起こすHIV-1など、病気を引き起こすものもあります。逆転写酵素は、実験室でのRNA分子の分析、特に分子クローニングやポリメラーゼ連鎖反応（PCR）の前にRNA分子をDNAに変換する実験ツールとして広く使用されています。^[18]

生化学および遺伝学的分析により、ウイルスRNA分子を複製する酵素システム（逆転写酵素およびRNAレプリカーゼ）には分子校正（3'から5'エキソヌクレアーゼ）活性が欠如しており、RNA配列はDNA配列の維持および修復に存在するものと同様の広範な修復システムの恩恵を受けていないことが示された。その結果、RNAゲノムはDNAゲノムよりも大幅に高い変異率にさらされているように見える。たとえば、抗ウイルス薬に反応しないウイルス変異体の出現につながるHIV-1の変異は一般的であり、大きな臨床的課題となっている。^[19]

多数の生物のリボソームRNA配列を解析した結果、地球上の現存するすべての生命体は共通の祖先を反映して、リボソームRNAの構造と配列に共通の特徴を持っていることが実証された。異なる起源のrRNA分子間の類似点と相違点をマッピングすることで、生物間の系統発生的（進化的）関係について明確で定量的な情報が得られる。rRNA分子の解析により、原核生物と真核生物に加えて、 3番目の主要な生物界である古細菌が特定された。^[20]

mRNA分子の分子解析により、転写後、mRNAの5'末端と3'末端の両方にDNAにコードされていないヌクレオチド（それぞれグアノシンキャップとポリA）が付加されることが示された。また、tRNA分子の3'末端に普遍的なCCA配列を付加し維持する酵素も特定された。これらのイベントは、RNA一次転写産物を生物学的に活性なRNA分子に変換するために必要な一連の複雑な反応であるRNAプロセシングの最初に発見された例の1つである。 ^[21]

核内小分子RNA（snRNA）は、核内小リボ核タンパク質複合体（snRNP; snRNAとタンパク質の複合体）に結合する自己免疫抗体を用いた免疫学的研究によって真核生物の核内で同定されました。その後の生化学、遺伝学、系統発生学的研究により、これらの分子の多くが、 RNAスプライシング、ポリアデニル化、リボソームRNAの成熟など、核と核小体内の重要なRNA処理反応において重要な役割を果たしていることが明らかになりました。^[22]

tRNA分子の詳細な3次元構造は、X線結晶構造解析によって決定され、基本的なクローバーリーフ二次構造の上に三次相互作用が重なった非常に複雑でコンパクトな3次元構造が明らかになった。tRNAの三次構造の主な特徴は、隣接するらせんの共軸スタッキングと、頂端ループ内のヌクレオチド間の非ワトソン-クリック相互作用である。追加の結晶構造研究では、幅広いRNA分子（リボザイム、リボスイッチ、リボソームRNAなど）も、さまざまな3D構造モチーフを含む特定の構造に折り畳まれることが示された。RNA分子が特定の三次構造をとる能力は、その生物学的活性に不可欠であり、RNAの一本鎖の性質に起因している。多くの点で、RNAの折り畳みは、DNA二重らせんの高度に反復的な折り畳み構造よりも、タンパク質の折り畳みに非常に類似している。^[12]

成熟した真核生物のメッセンジャーRNA分子の分析により、それらはしばしば、それらをコードするDNA配列よりもはるかに小さいことが示された。遺伝子は不連続であり、最終的な成熟RNAには存在しない配列（イントロン）で構成され、成熟RNAに保持される配列（エクソン）の間に位置することが示された。イントロンは、 RNAスプライシングと呼ばれるプロセスによって転写後に除去されることが示された。RNA転写物のスプライシングには、（a）エクソンとイントロンの境界の定義、（b）それらの部位でのRNA鎖の切断、および（c）正しい順序でのRNAエクソンの共有結合（ライゲーション）からなる、非常に正確で調整された一連の分子イベントが必要である。不連続遺伝子とRNAスプライシングの発見は、RNA生物学者コミュニティにとってまったく予想外のことであり、分子生物学研究における最も衝撃的な発見の1つとなっている。^[23]

後生動物細胞の核内にコードされているタンパク質コード遺伝子の大部分は、複数のイントロンを含む。多くの場合、これらのイントロンは複数のパターンで処理されることが示されており、特定のエクソンの包含または除外などによって異なる関連mRNAファミリーを生成する。選択的スプライシングの結果、単一の遺伝子が、さまざまな（通常は関連する）生物学的機能を発揮できる多数の異なるタンパク質アイソフォームをコードできる。実際、ヒトゲノムによってコードされているタンパク質のほとんどは、選択的スプライシングによって生成される。^[24]

繊毛原生動物テトラヒメナの​​核から採取したイントロンを含むrRNA前駆体を試験管内でスプライシングできる実験系が開発された。その後の生化学分析により、このグループIイントロンは自己スプライシングであることがわかった。つまり、前駆体RNAはタンパク質がなくても完全なスプライシング反応を行うことができる。別の研究では、細菌酵素リボヌクレアーゼP（リボ核タンパク質複合体）のRNA成分が、タンパク質がなくてもtRNA処理反応を触媒することがわかった。これらの実験は、RNAが特定の生化学反応を触媒することで細胞プロセスで積極的な役割を果たすことができることを明らかにしたため、RNA生物学における画期的な出来事であった。これらの発見以前は、生物学的触媒はタンパク質 酵素の領域のみであると考えられていた。^{[25] [26]}

触媒RNA（リボザイム）の発見は、RNAが遺伝情報（DNAのように）をコード化し、特定の生化学反応（タンパク質酵素のように）を触媒できることを示した。この認識は、より特殊な機能を持つ分子（DNAとタンパク質）が生物学的情報のコード化と触媒作用を支配するようになる前に、RNAが前生物的進化において重要な役割を果たした可能性があるというRNAワールド仮説につながった。前生物的進化の過程を確実に知ることは不可能だが、すべての現代生命体に共通の祖先を持つ機能的なRNA分子が存在することは、最後の共通祖先の時代にRNAが広く存在していたことを示す強力な議論である。^[27]

自己スプライシングイントロンの中には、イントロンがなかった遺伝子部位に自身のコピーを挿入する「ホーミング」によって生物の集団に広がるものもある。自己スプライシングであるため（つまり、挿入した遺伝子からRNAレベルで自身を除去する）、これらの配列は遺伝的にサイレントなトランスポゾン、つまり挿入される遺伝子の発現を妨げないトランスポゾンを表す。これらのイントロンは利己的DNAの例とみなすことができる。可動性イントロンの中には、イントロンが欠けている対立遺伝子のイントロン挿入部位またはその近くで二本鎖DNAを特異的に切断することでホーミングプロセスを開始する酵素であるホーミングエンドヌクレアーゼをコードするものもある。可動性イントロンは、自己スプライシングイントロンのグループIまたはグループIIファミリーのいずれかのメンバーであることが多い。 ^[28]

イントロンは、スプライソソームによって核プレmRNAから除去される。スプライソソームは、 snRNAとタンパク質分子から構成される大きなリボ核タンパク質複合体であり、 RNAスプライシング反応の過程でその構成と分子相互作用が変化する。スプライソソームは、mRNA前駆体のスプライス部位（スプライスされていないプレmRNAのイントロンとエクソンの境界）上およびその周囲に集まり、RNA-RNA相互作用を利用して重要なヌクレオチド配列を特定し、おそらくスプライシング反応を触媒する。核プレmRNAイントロンとスプライソソーム関連snRNAは、自己スプライシンググループIIイントロンと同様の構造的特徴を示す。さらに、核プレmRNAイントロンとグループIIイントロンのスプライシング経路は、同様の反応経路を共有する。これらの類似性から、これらの分子は共通の祖先を持っている可能性があるという仮説が立てられている。^[29]

さまざまな生物のメッセンジャーRNA前駆体は、タンパク質に翻訳される前に編集される可能性があります。このプロセスでは、コード化されていないヌクレオチドがRNAの特定の場所に挿入され、コード化されたヌクレオチドが削除または置換される可能性があります。RNA編集は、キネトプラスト原生動物のミトコンドリア内で最初に発見され、広範囲に及ぶことが示されました。^[30]たとえば、一部のタンパク質コード遺伝子は、成熟した翻訳されたmRNA内にあるヌクレオチドの50％未満をコード化しています。その他のRNA編集イベントは、哺乳類、植物、細菌、ウイルスで発見されています。これらの後者の編集イベントでは、キネトプラストDNA内のイベントよりもヌクレオチドの修正、挿入、削除が少なくなりますが、それでも遺伝子発現とその制御にとって生物学的に高い重要性があります。^[31]

テロメラーゼは、すべての真核生物の核に存在する酵素であり、DNA複製の各ラウンドで失われる末端配列を追加することで、真核生物の核の線状染色体中の線状DNAの末端を維持する役割を果たします。テロメラーゼが特定される前は、DNA複製の分子的理解に基づいてその活性が予測されていました。その理解では、当時知られていたDNAポリメラーゼは、テンプレート鎖がないため、線状染色体の3'末端を複製できないことが示されていました。テロメラーゼは、テンプレート鎖として機能するRNA成分と、逆転写酵素活性を持ち、内部RNAテンプレートを使用して染色体末端にヌクレオチドを追加するタンパク質成分を含むリボ核タンパク質酵素であることが示されました。 ^[32]

何年もの間、科学者はリボソーム内のどのタンパク質が翻訳中にペプチジルトランスフェラーゼ機能を担っているかを特定しようと取り組んできました。アミノ酸の共有結合は生物学全体でもっとも中心的な化学反応の 1 つだからです。注意深い生化学研究により、徹底的に脱タンパク質化されたリボソームの大サブユニットでもペプチド結合形成を触媒できることが示され、求められている活性はリボソームタンパク質ではなくリボソーム RNA 内にある可能性があることが示唆されました。構造生物学者は、X 線結晶構造解析を使用して、リボソームのペプチジルトランスフェラーゼ中心が、リボソーム内で tRNA のアミノ酸を持つ末端が結合し、タンパク質が存在しない場所にある大サブユニットリボソーム RNA (rRNA) の高度に保存された領域にあることを突き止めました。これらの研究から、リボソームはリボザイムであるという結論に至りました。リボソーム活性部位を構成するrRNA配列は、生物界で最も高度に保存された配列の一部です。これらの観察結果を合わせると、RNAによって触媒されるペプチド結合形成は、既知のすべての生命体の最後の共通祖先の特徴であったことがわかります。^[33]

研究者が RNA 分子の大規模で多様な集団を使用して、遺伝学者が使用する強力な選択的複製戦略を活用した試験管内分子実験を実行できる実験方法が発明されました。これは試験管内での進化に相当します。これらの実験はさまざまな名前で説明されていますが、最も一般的な名前は「コンビナトリアル選択」、「試験管内選択」、および SELEX (指数関数的濃縮によるリガンドの系統的進化) です。これらの実験は、特定のタンパク質への結合から特定の反応の触媒、低分子量有機リガンドへの結合まで、幅広い特性を持つ RNA 分子を分離するために使用されています。これらの実験は、自然発生的な RNA 分子の既知の特性である相互作用とメカニズムの解明から、自然界では知られていない生化学的特性を持つ RNA 分子の分離まで、同じように適用できます。 RNAのin vitro選択技術の開発では、RNA分子の複雑な集団を合成するための実験システムが確立され、ユーザーが指定した生化学的活性を持つ分子の選択やRNA複製のin vitroスキームと組み合わせて使用​​​​されました。これらのステップは、（a）突然変異、（b）選択、および（c）複製として考えることができます。これら3つのプロセスを組み合わせることで、in vitro分子進化が可能になります。^[34]

転移性遺伝要素（トランスポゾン）は転写によってRNA中間体に複製され、その後逆転写酵素によってDNAに変換される。これらの配列は、その多くがレトロウイルスに関連している可能性があり、特に植物において真核生物の核のDNAの大部分を構成している。ゲノム配列解析により、レトロトランスポゾンはヒトゲノムの36％、主要穀物（小麦とトウモロコシ）のゲノムの半分以上を占めていることがわかった。^[35]

RNAセグメントは、典型的には多数の細菌mRNA分子の5'非翻訳領域内に埋め込まれており、タンパク質の関与を伴わないこれまで発見されていないメカニズムを通じて遺伝子発現に大きな影響を与えます。多くの場合、リボスイッチは環境条件（周囲温度や特定の代謝物の濃度など）に応じて折り畳まれた構造を変化させ、その構造変化がリボスイッチが埋め込まれたmRNAの翻訳または安定性を制御します。このようにして、遺伝子発現は転写後レベルで劇的に制御される可能性があります。^[36]

RNA分子が遺伝子制御に関与する、これまで知られていなかった別のメカニズムが1990年代に発見されました。マイクロRNA（miRNA）と低分子干渉RNA（siRNA）と呼ばれる小さなRNA分子は真核細胞に豊富に存在し、mRNA発現の転写後制御を担っています。これらはmRNA内の特定の部位に結合し、特定のサイレンシング関連RNA分解経路を介してmRNAの切断を誘導することで機能します。^[37]

翻訳とスプライシングにおける確立された役割に加えて、非コードRNA（ncRNA）ファミリーのメンバーは、ゲノム防御と染色体不活性化において機能することが最近発見されました。たとえば、piwi相互作用RNA（piRNA）は生殖細胞におけるゲノム不安定性を防ぎ、Xist（X不活性特異的転写産物）は哺乳類におけるX染色体の不活性化に不可欠です。^[38]