リードザイム

リードザイムは、特定のホスホジエステル結合の切断を触媒する小型リボザイム（触媒RNA）です。これは、研究者らが鉛の存在下で特異的に自己切断するRNAを選択するin vitro進化研究を使用して発見されました。^{[ 1 ] [ 2 ]}しかし、その後、いくつかの自然系で発見されました。^{[ 3 ] [ 4 ]}リードザイムは、マイクロモル濃度の鉛イオンの存在下で効率的かつ動的であることがわかりました。^{[ 5 ] [ 6 ]}他の小型自己切断リボザイムとは異なり、他の二価金属イオンはリードザイムのPb2 ^{+を置き換えることができません。 [ 7 ]}鉛が必須であるため、このリボザイムはメタロリボザイムと呼ばれます。

リードザイムは、広範な生化学的および構造的特性評価を受けています。^{[ 8 ]}リードザイムの最小二次構造は、驚くほど単純です。それは、6 つのヌクレオチドからなる非対称の内部ループと、その内部ループの両側にあるらせん領域から構成されています。リードザイムの切断部位は、両側に RNA らせんも含まれる 4 つのヌクレオチド長の非対称の内部ループ内にあります。これは、mfold を使用して生成されたリードザイムの二次構造である右上の図に示されています。リードザイムの構造は、X 線結晶構造解析と NMR を使用しても解明されています。^{[ 9 ] [ 10 ]}リードザイムの 2 つのコンフォメーションの結晶構造は、右下の図に示されています。

Leadzyme は2 段階のメカニズムを使用して触媒作用を行うと考えられています。 ^{[ 11 ]}反応の最初の段階では、ホスホジエステル結合が 2 つの生成物に切断されます。5' 生成物は 2'3' 環状リン酸で終わり、3' 生成物は 5' ヒドロキシルで終わります。この段階は、Hammerhead リボザイムやHDV リボザイムなどの他の小型自己切断リボザイムと似ています。^{[ 12 ]}これらのリボザイムはどちらも 2'、3' -環状リン酸を含む生成物を生成します。しかし、leadzyme ではこの生成物は単なる中間体です。この反応経路の 2 番目の段階では、2' 3' -環状リン酸が加水分解されて3' モノリン酸が形成されます。この触媒作用のモードは、既知の小型自己切断リボザイムよりもリボヌクレアーゼ (タンパク質) の機能に似ています。

リードザイムは非常に動的な構造を持つと考えられている。^{[ 13 ] [ 14 ]} NMR、X線結晶構造解析、分子モデリングを含む多くの研究により、わずかに異なる構造が明らかになっている。最近、時間分解分光法を用いて、リードザイムの活性部位が非常に動的であることが示された。^{[ 15 ]}溶液中では多くの異なるコンフォメーションをサンプリングし、異なるコンフォメーション間の相互変換のΔGは非常に小さい。これらの研究と一致して、高解像度結晶構造では、2つのコンフォメーションでMg2 ⁺とSr2 ⁺（Pb2 ^{+置換体）の異なる}結合部位を持つ2つの異なるリードザイムのコンフォメーションも明らかになった。^{[ 16 ]}基底状態では、リードザイムはヌクレオチドG43、G45、A45に1つのSr2 ⁺イオンを結合する。この結合部位は切断部位から離れているため、Pb ²⁺が触媒作用に関与する理由を説明するものではありません。しかし、「触媒前」状態と呼ばれる第 2 のコンフォメーションでは、リボザイムは 2 つの Sr ²⁺結合部位を示します。G43 と G42 は 1 つの Sr ²⁺と相互作用し、もう 1 つの Sr ²⁺は A45、C23、および G24 と相互作用します。この第 2 の Sr ²⁺結合部位は、水分子を介して C23 の 2'-OH とも相互作用する可能性があります。この第 2 の結合部位は、Pb ²⁺が 2-OH プロトンを引き抜き、切断されるリン酸への直線的な求核攻撃の準備を整えることで、どのように触媒作用を促進できるかを説明します。これは、リードザイムの反応が pH に依存するという事実によっても裏付けられています。したがって、Pb ^{2+ は}ルイス酸として作用し、C23 の 2-OH を活性化している可能性があります。結晶構造は、鉛酵素触媒作用について提案されている2つの金属イオン機構と一致している。^{[ 17 ]}

鉛などの有毒金属は環境や健康に害を及ぼし、曝露されると生物系に入り込む可能性があります。鉛は残留金属であり、産業での頻繁な使用や環境中の存在により、時間の経過とともに人体に蓄積する可能性があります。鉛の吸入は、軽微な症状から深刻な病気まで、さまざまな影響を及ぼす可能性があります。生物系に鉛が存在すると、鉛イオンによる触媒作用が誘発される可能性があります。^{[ 18 ]}リードザイムは比較的単純なモチーフ、つまり単純な折り畳み構造を持つため、多くの自然システムのゲノムには、リードザイム構造に折り畳まれる可能性のある配列が多数存在するようです。ヒト、ショウジョウバエ、線虫、シロイヌナズナのゲノムでこのRNAモチーフを単純に検索したところ、平均して1 MbpのDNA配列あたり2～9個のモチーフが存在することが明らかになりました。^{[ 19 ]}また、リードザイムモチーフはこれらの生物のmRNA配列にも非常に一般的であることが示されました。したがって、これらの配列は鉛イオンの存在下で自己切断する可能性がある。mRNAや他のRNAにおける鉛によるこれらのRNAモチーフの標的化は、鉛による毒性が細胞死を引き起こすことを説明できるかもしれない。^{[ 20 ]}

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