コザックコンセンサス配列

コザックコンセンサス配列（コザックコンセンサスまたはコザック配列）は、ほとんどの真核生物のmRNA転写産物でタンパク質翻訳開始部位として機能する核酸モチーフである。 ^[1]真核生物で翻訳を開始するための最適配列と見なされているこの配列は、タンパク質調節と全体的な細胞の健康の不可欠な側面であるだけでなく、ヒトの疾患にも影響を及ぼしている。^{[1] [2]} この配列は、リボソームの組み立てと翻訳開始を仲介し、タンパク質が遺伝メッセージから正しく翻訳されることを保証する。開始部位が間違っていると、機能しないタンパク質が生じる可能性がある。^[3] 研究が進むにつれて、ヌクレオチド配列の拡張、重要な塩基、注目すべき例外が生じた。^{[1] [4] [5]}この配列は、それを発見した科学者、マリリン・コザックにちなんで名付けられました。コザックは、DNAゲノム配列の詳細な分析を通じてこの配列を発見しました。^[6]

コザック配列は、リボソーム結合部位(RBS)と混同しないでください。リボソーム結合部位は、メッセンジャー RNAの5' キャップまたは内部リボソーム進入部位(IRES) のいずれかです。

コザック配列は、699個の脊椎動物mRNAの配列決定によって決定され、部位特異的変異誘発によって検証された。^[7]当初は脊椎動物のサブセット（すなわち、ヒト、ウシ、ネコ、イヌ、ニワトリ、モルモット、ハムスター、マウス、ブタ、ウサギ、ヒツジ、アフリカツメガエル）に限定されていたが、その後の研究では高等真核生物全般で保存されていることが確認された。^[1]この配列は、5'- -3'（IUPAC核酸塩基表記法をここに要約）と定義され、ここで：^[7](gcc)gccRccAUGG

1. 下線付きのヌクレオチドは、メチオニンをコードする翻訳開始コドンを示しています。
2. 大文字は高度に保存された塩基を示し、つまり「AUGG」配列は一定であるか、あるいはほとんど変化しない。^[8]
3. 「R」は、プリン（アデニンまたはグアニン）が常にこの位置に観察されることを示します（コザックによればアデニンの方がより一般的です）
4. 小文字は、塩基が変化する可能性がある位置で最も一般的な塩基を表す。
5. 括弧内のシーケンス (gcc) の意味は不明です。

AUGは、タンパク質の N 末端のメチオニンアミノ酸をコードする開始コドンです。(まれに、GUG が開始コドンとして使用されますが、メチオニンは mRNA に結合する開始複合体内の met-tRNA であるため、依然として最初のアミノ酸です)。コザック配列内の変異は、その「強度」を変更します。コザック配列の強度は、開始の好ましさを指し、特定の mRNA から合成されるタンパク質の量に影響します。[ ^{4] [9]} 「AUG」のAヌクレオチドは、mRNA 配列で +1 として表され、その前の塩基は -1 としてラベル付けされます。つまり、0 の位置はありません。「強い」コンセンサスの場合、+1 ヌクレオチドに対する位置 +4 (つまり、コンセンサス内の G) と位置 -3 (つまり、コンセンサス内の A または G) のヌクレオチドは、両方ともコンセンサスと一致している必要があります。 「適切な」コンセンサスにはこれらのサイトが 1 つだけありますが、「弱い」コンセンサスにはどちらもありません。-1 と -2 の cc はそれほど保存されていませんが、全体的な強度に貢献しています。^[10] -6 の位置の G が翻訳の開始に重要であるという証拠もあります。^[4] Kozak 配列の +4 と -3 の位置は、好ましい開始コンテキストを確立する上で最も相対的に重要ですが、-2 と -1 の CC または AA モチーフは、タバコとトウモロコシの植物の翻訳の開始に重要であることがわかりました。^[11]酵母のタンパク質合成は、酵母の Kozak 配列の構成に大きく影響され、アデニンが濃縮されると遺伝子発現レベルが上昇することがわかりました。^[12] 最適ではない Kozak 配列では、PIC が最初の AUG サイトをスキャンして、下流の AUG コドンで開始を開始できます。^{[13] [2]}

リボソームは、コザック配列内にある開始コドン(AUG)上に組み立てられます。翻訳開始前に、開始前複合体 (PIC) によってスキャンが行われます。PIC は、3 元複合体eIF2 -GTP-intiatorMet tRNA (TC) に結合した 40S (小さなリボソームサブユニット) で構成され、43S リボソームを形成します。他のいくつかの開始因子 ( eIF1および eIF1A、eIF5、eIF3、ポリ A 結合タンパク質) の支援を受けて、mRNA の 5' 末端にリクルートされます。真核生物の mRNA は、 PIC を mRNA にリクルートしてスキャンを開始するのに役立つ7-メチルグアノシン(m7G) ヌクレオチドでキャップされています。この m7G 5' キャップへのリクルートは、真核生物のリボソームが 5' 末端を持たない環状 mRNA を翻訳できないことによってサポートされています。^[14] PICがmRNAに結合すると、コザック配列の最初のAUGコドンに到達するまでスキャンします。^{[15] [16]}このスキャンは開始のスキャンメカニズムと呼ばれます。

開始のスキャン機構は、PICがmRNAの5'末端に結合すると開始します。スキャンは、 Dhx29、Ddx3/Ded1、eIF4タンパク質によって刺激されます。^[1] Dhx29とDdx3/Ded1は、スキャンを妨げる可能性のある二次mRNA構造をほどくのに役立つDEADボックスヘリカーゼです。 ^[17] mRNAのスキャンは、mRNA上の最初のAUGコドンに到達するまで続きます。これは、「最初のAUGルール」として知られています。^[1] 「最初のAUGルール」には例外がありますが、ほとんどの例外は、最初のAUGから3〜5ヌクレオチド下流にある、またはmRNAの5'末端から10ヌクレオチド以内にある2番目のAUGコドンで発生します。^[18] AUGコドンでは、メチオニンtRNAアンチコドンがmRNAコドンによって認識されます。^[19]開始コドンと塩基対を形成すると、PICのeIF5はeIF2に結合したグアノシン三リン酸（GTP）の加水分解を助けます。 ^{[20] [21]} これにより構造再編成が起こり、PICは大きなリボソームサブユニット（60S）に結合し、リボソーム複合体（80S）を形成します。80Sリボソーム複合体が形成されると、翻訳の伸長段階が始まります。

鎖の5 '末端に最も近い最初の開始コドンは、コザック様配列に含まれていない場合、必ずしも認識されるとは限りません。Lmx1bは、弱いコザックコンセンサス配列を持つ遺伝子の例です。^[22]このような部位からの翻訳の開始には、リボソームが開始コドンを認識するために、mRNA配列に他の機能が必要です。最初のAUGルールがコザック様配列に含まれていない場合、例外が発生する可能性があります。これはリーキースキャンと呼ばれ、開始を通じて翻訳を制御する潜在的な方法である可能性があります。^[23]このような部位からの翻訳の開始には、リボソームが開始コドンを認識するために、mRNA配列に他の機能が必要です。

PICは、eIF2とコザック位置の-3および+4ヌクレオチドとの相互作用によりコザック配列で停止していると考えられています。^[24]この停止により、開始コドンと対応するアンチコドンが正しい水素結合を形成する時間が得られます。コザックコンセンサス配列は非常に一般的であるため、AUGコドン周辺の配列とコザック配列の類似性は、真核生物の開始コドンを見つけるための基準として使用されます。^[25]

コザック配列を利用する開始のスキャン機構は真核生物にのみ見られ、細菌が翻訳を開始する方法とは大きく異なります。最大の違いは、細菌のmRNAにシャイン・ダルガルノ（SD）配列が存在することです。SD配列は開始コドンの近くにありますが、これは実際に開始コドンを含むコザック配列とは対照的です。シャイン・ダルガルノ配列により、小さなリボソームサブユニットの16SサブユニットはAUG（または代替）開始コドンにすぐに結合できます。対照的に、mRNAに沿ったスキャンは、細菌よりもAUGコドンのより厳格な選択プロセスをもたらします。^[26] 細菌の開始コドンの乱用の例として、いくつかの遺伝子の代替開始コドンUUGとGUGの使用が挙げられます。^[27]

古細菌の転写産物は、SD配列、コザック配列、リーダーレス開始の組み合わせを使用しています。ハロアーキアは、 Hsp70遺伝子にコザックコンセンサス配列の変異体を持つことが知られています。^[28]

マリリン・コザックは、点突然変異の体系的な研究を通じて、強いコンセンサス配列の-3位または+4位への突然変異は、in vitroおよびin vivoの両方で翻訳開始の大きな障害をもたらすことを実証した。^{[29] [30]}

研究により、βグロビン遺伝子（β+45；ヒト）の−6位のG—>Cの変異が、血液学的および生合成表現型の機能を阻害することが示されています。これはコザック配列で発見された最初の変異であり、翻訳効率が30％低下しました。これは南東イタリアの家族で発見され、彼らは中間型サラセミアを患っていました。^[4]

開始コドンAUGから-5番目の位置の変異についても同様の観察が行われた。この位置のシトシンはチミンとは対照的に、より効率的な翻訳を示し、ヒトの血小板接着受容体である糖タンパク質Ibαの発現を増加させた。^[33]

コザック配列の変異は、人間の健康に重大な影響を及ぼす可能性があります。特に、ある種の先天性心疾患は、 GATA4遺伝子の 5' 非翻訳領域におけるコザック配列の変異によって引き起こされます。GATA4 遺伝子は、心臓を含むさまざまな組織での遺伝子発現を担っています。^[34] GATA4 のコザック配列の -6 位のグアノシンがシトシンに変異すると、GATA4 タンパク質レベルが低下し、GATA4 転写因子によって制御され、心房中隔欠損の発症に関連する遺伝子の発現が減少します。^[35]

コザック配列の翻訳最適化能力により、mRNA転写産物の5′末端（5′ UTR）の通常は翻訳されない領域に新しい開始コドンが生じる可能性がある。ボーレンら（2017）は、SOX9遺伝子のコザック様領域におけるAGからAへの変異について記述し、アウトオブフレームオープンリーディングフレームに新しい翻訳開始コドンを作成した。正しい開始コドンは、新しい上流開始部位の周囲の配列ほどコザックコンセンサス配列と一致しない領域に位置していたため、機能的なSOX9タンパク質の翻訳効率が低下した。この変異が検出された患者は、SOX9発現が不十分なために骨格、生殖、気道の問題を引き起こす発達障害であるアカンポメリックカンポメリック異形成症を発症していた。^[32]

コザック合意は以下のように様々に説明されている: ^[36]

     65432-+234
(gcc)gccRccAUGG (コザック 1987)
       アグノーン
        アナグ
        ACCAUGG (Spotts et al.、1997、Kozak 2002 で言及)
     GACACCAUGG ( H. sapiens HBB、HBD、R. norvegicus Hbbなど) 

• mRNAは、生物学のセントラルドグマにおいて仲介役を務める核酸メッセンジャーである。
• リボソームはタンパク質合成を司る分子機械である。
• 原核生物のリボソーム結合部位であるシャイン・ダルガルノ配列。
• 翻訳、ペプチド合成のプロセス