RNAに関する背景知識 RNAの化学構造。RNA分子ごとに塩基配列が異なる。 RNAは、個々の構成要素がヌクレオチドと呼ばれる大きな生体分子の一種です。ポリ(A)テール (ポリアデニル酸テール)[ 8 ] という名称は、RNAヌクレオチドが、ヌクレオチドに含まれる塩基を表す文字(Aはアデニン 、Cはシトシン 、Gはグアニン 、Uはウラシル)で略記される方法を反映しています。RNAは DNA テンプレートから生成(転写 )されます。慣例として、RNA配列は5'から3'の方向に記述されます。5'末端はRNA分子の中で最初に転写される部分であり、3'末端は最後に転写されます。3'末端は、ポリアデニル化RNAのポリ(A)テールが存在する場所でもあります。[ 9 ]
メッセンジャーRNA(mRNA)は、タンパク質合成(翻訳 )の鋳型として機能するコード領域を持つRNAです。mRNAの残りの部分、つまり非翻訳領域は 、mRNAの活性を調節します。[ 10 ] また、翻訳されないRNAも多く存在し、これらは非コードRNAと呼ばれています。非翻訳領域と同様に、これらの非コードRNAの多くは調節機能を持っています。[ 11 ]
核ポリアデニル化
機構 真核生物の核内の進行性 ポリアデニル化複合体は、前駆体mRNA などのRNAポリメラーゼII の産物に作用します。ここで、多タンパク質複合体(右側の構成要素を参照) [ 19 ] が、新たに生成されたRNAの3'末端部分を切断し、この切断によって生じた末端をポリアデニル化します。切断は酵素CPSF [ 14 ] [ 19 ] によって触媒され、その結合部位から10~30ヌクレオチド下流で起こります。[ 20 ] この部位にはRNA上にポリアデニル化シグナル配列AAUAAAが存在することが多いが、 CPSF との結合が弱い変異体も存在する。[ 19 ] [ 21 ] 他の2つのタンパク質、CstFとCFIがRNAへの結合に特異性を加える。CstFはCPSF部位のさらに下流にあるGUリッチ領域に結合する。[ 22 ] CFIはRNA上の3番目の部位(哺乳類ではUGUAA配列のセット[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] )を認識し、AAUAAA配列が欠落していてもCPSFをリクルートすることができる。[ 26 ] [ 27 ] RNA切断複合体によって認識される配列モチーフであるポリアデニル化シグナルは 、真核生物のグループによって異なる。ヒトのポリアデニル化部位のほとんどはAAUAAA配列を含んでいるが[ 22 ] 、この配列は植物や菌類ではあまり一般的ではない。[ 28 ]
RNAは通常、転写終結前に切断される。これは、CstFがRNAポリメラーゼIIにも結合するためである。[ 29 ] (2002年時点では)十分に解明されていないメカニズムを介して、RNAポリメラーゼIIに転写産物から抜け出すようにシグナルを送る。[ 30 ] 切断にはタンパク質CFIIも関与するが、そのメカニズムは不明である。[ 31 ] ポリアデニル化シグナルに関連する切断部位は、最大で約50ヌクレオチドまで変化する可能性がある。[ 32 ]
RNAが切断されると、ポリアデニル化が始まり、ポリアデニル酸ポリメラーゼによって触媒されます。ポリアデニル酸ポリメラーゼは、 アデノシン三リン酸 からアデノシン一リン酸 単位をRNAに付加し、ピロリン酸を 切断することによってポリ(A)テールを構築します。[ 33 ] 別のタンパク質であるPAB2は、新しく短いポリ(A)テールに結合し、ポリアデニル酸ポリメラーゼのRNAに対する親和性を高めます。ポリ(A)テールが約250ヌクレオチド 長になると、酵素はCPSFに結合できなくなり、ポリアデニル化が停止し、ポリ(A)テールの長さが決定されます。[ 34 ] [ 35 ] CPSFはRNAポリメラーゼIIと接触し、ポリメラーゼに転写を終了させるシグナルを送ることができます。[ 36 ] [ 37 ] RNAポリメラーゼIIが「終結配列」(DNAテンプレート上の⁵'TTTATT 3 '、一次転写産物上の⁵'AAUAAA 3 ')に到達すると、転写の終了が通知される。[ 38 ] ポリアデニル化機構は、 RNAからイントロンを 除去する複合体であるスプライソソームにも物理的に連結している。 [ 27 ]
下流への影響 ポリ(A)テールは、ポリ(A)結合タンパク質 の結合部位として機能します。ポリ(A)結合タンパク質は、核からの輸送と翻訳を促進し、分解を阻害します。[ 39 ] このタンパク質は、mRNAが核から輸送される前にポリ(A)テールに結合し、酵母ではポリ(A)テールを短縮してmRNAの輸送を可能にする酵素であるポリ(A)ヌクレアーゼもリクルートします。ポリ(A)結合タンパク質はRNAとともに細胞質に輸送されます。輸送されなかったmRNAは、エキソソーム によって分解されます。[ 40 ] [ 41 ] ポリ(A)結合タンパク質は、翻訳に影響を与えるいくつかのタンパク質にも結合してリクルートすることもできます。[ 40 ] これらの1つは開始因子 -4Gであり、これは40S リボソームサブユニットをリクルートします。[ 42 ] しかし、すべてのmRNAの翻訳にポリ(A)テールが必要なわけではありません。[ 43 ] さらに、ポリ(A)テーリング(オリゴアデニル化)は、通常はポリ(A)テールを持たないRNA分子((小型)非コード(sn)RNAなど)の運命を決定し、それによってRNA分解を誘導することができます。[ 44 ]
脱アデニル化 真核体細胞 では、細胞質内のほとんどのmRNAのポリ(A)テールは徐々に短くなり、ポリ(A)テールが短いmRNAは翻訳が少なくなり、より早く分解される。[ 45 ] しかし、mRNAが分解されるまでには何時間もかかることがある。[ 46 ] この脱アデニル化と分解のプロセスは、 mRNAの3'非翻訳領域 に相補的なマイクロRNAによって加速されることがある。 [ 47 ] 未成熟卵細胞 では、ポリ(A)テールが短縮したmRNAは分解されず、代わりに保存され、翻訳活性を持たない。これらの短いテールを持つmRNAは、受精後、卵活性化 中に細胞質ポリアデニル化によって活性化される。[ 48 ]
動物では、ポリ(A)リボヌクレアーゼ( PARN )が5'キャップ に結合し、ポリ(A)テールからヌクレオチドを除去することができる。5'キャップとポリ(A)テールへのアクセスレベルは、mRNAが分解される速さを制御する上で重要である。RNAが開始因子4E(5'キャップ)と4G(ポリ(A)テール)によって結合されている場合、PARNの脱アデニル化は少なくなるため、翻訳によって脱アデニル化が減少する。脱アデニル化の速度は、RNA結合タンパク質によっても調節される可能性がある。さらに、RNA三重らせん構造や、ポリ(A)テール3'末端結合ポケットなどのRNAモチーフは、脱アデニル化プロセスを遅らせ、ポリ(A)テールの除去を阻害する。[ 49 ] ポリ(A)テールが除去されると、脱キャップ複合体が5'キャップを除去し、RNAの分解につながる。出芽酵母 やヒト細胞における脱アデニル化には、他にもいくつかのタンパク質が関与しており、中でもCCR4-Not 複合体が最も注目されている。[ 50 ]
細胞質ポリアデニル化 動物細胞の一部の細胞質、すなわち生殖細胞 、初期胚発生 期、および神経細胞 のシナプス 後部ではポリアデニル化が起こる。これにより、ポリ(A)テールが短いmRNAのポリ(A)テールが長くなり、mRNAが翻訳さ れるようになる。[ 45 ] [ 51 ] これらの短いポリ(A)テールは、多くの場合20ヌクレオチド未満であり、約80~150ヌクレオチドまで長くなる。[ 3 ]
マウスの初期胚では、卵細胞由来の母性RNAの細胞質ポリアデニル化により、転写が2細胞期(ヒトでは4細胞期)の中頃まで開始されないにもかかわらず、細胞は生存し成長することができる。[ 52 ] [ 53 ] 脳では、細胞質ポリアデニル化は学習中に活性化し、神経インパルスに応答して神経細胞から別の神経細胞への信号伝達を強化する長期増強 に役割を果たしている可能性があり、学習と記憶の形成に重要である。[ 3 ] [ 54 ]
細胞質ポリアデニル化にはRNA結合タンパク質CPSF とCPEBが必要であり、 Pumilio などの他のRNA結合タンパク質も関与する可能性がある。[ 55 ] 細胞の種類によっては、ポリメラーゼは核プロセスで使用されるポリアデニル化ポリメラーゼ(PAP)と同じタイプの場合もあれば、細胞質ポリメラーゼGLD-2の 場合もある。[ 56 ]
同一遺伝子上で異なるポリアデニル化部位を使用した結果
代替ポリアデニル化 多くのタンパク質コード遺伝子には複数のポリアデニル化部位があるため、1つの遺伝子で3'末端 が異なる複数のmRNAをコードできます。[ 28 ] [ 57 ] [ 58 ] 転写産物の3'領域には多くのポリアデニル化シグナル(PAS)が含まれています。より近位(5'末端に近い)PAS部位が利用されると、転写産物の3'非翻訳領域(3' UTR)の長さが短くなります。[ 59 ] ヒトとショウジョウバエの両方の研究で、組織特異的なAPAが示されています。神経組織は遠位PASの使用を好み、3' UTRが長くなり、精巣組織は近位PASを好み、3' UTRが短くなります。[ 60 ] [ 61 ] 研究により、遺伝子の保存レベルと代替ポリアデニル化を行う傾向の間には相関関係があり、高度に保存された遺伝子はより多くのAPAを示すことが示されています。同様に、高発現遺伝子もこの同じパターンに従います。[ 62 ] リボシークエンシング データ(リボソーム内のmRNAのみの配列決定)は、3'UTRが短いmRNAアイソフォームの方が翻訳されやすいことを示している。[ 59 ]
代替ポリアデニル化は3' UTR の長さを変えるため、[ 63 ] 3' UTR 内のマイクロRNA の結合部位も変化します。 [ 20 ] [ 64 ] マイクロRNAは、結合したmRNAの翻訳を抑制し、分解を促進する傾向がありますが、転写産物を安定化させるマイクロRNAの例もあります。[ 65 ] [ 66 ] 代替ポリアデニル化はコード領域を短縮し、mRNAが異なるタンパク質をコードするようにすることもできますが、[ 67 ] [ 68 ] これは単に 3' 非翻訳領域を短縮するよりもはるかに一般的ではありません。[ 28 ]
ポリ(A)部位の選択は細胞外刺激によって影響を受ける可能性があり、ポリアデニル化に関与するタンパク質の発現に依存します。[ 69 ] [ 70 ] 例えば、マクロファージでは、 リポ多糖類 (免疫応答を引き起こす細菌化合物のグループ)に応答して、切断刺激因子 (CstF)のサブユニットであるCstF-64 の発現が増加します。これにより、弱いポリ(A)部位が選択され、転写産物が短くなります。これにより、リゾチーム やTNF-α などの防御関連産物のmRNAの3'非翻訳領域にある調節エレメントが除去されます。これらのmRNAは半減期が長くなり、これらのタンパク質をより多く産生します。[ 69 ] ポリアデニル化機構以外のRNA結合タンパク質も、ポリアデニル化部位が使用されるかどうかに影響を与える可能性があり、 [ 71 ] [ 72 ] [ 73 ] [ 74 ] ポリアデニル化シグナル付近のDNAメチル化 も同様である。[ 75 ] さらに、転写、スプライシング、またはRNA生物学を制御するその他のメカニズムに関与する多数の他のコンポーネントもAPAに影響を与える可能性がある。[ 76 ]
歴史 ポリ(A)ポリメラーゼは、1960年に細胞核抽出物中の酵素活性 として初めて同定され、 ATPをポリアデニンに重合できるがADPは重合できないことが分かった。 [ 101 ] [ 102 ] 多くの種類の細胞で同定されているが、この活性の機能は1971年にmRNA中にポリ(A)配列が発見されるまで不明であった。[ 103 ] [ 104 ] これらの配列の唯一の機能は、当初はRNAの3'末端をヌクレアーゼから保護することと考えられていたが、後に核外輸送と翻訳におけるポリアデニル化の具体的な役割が明らかになった。ポリアデニル化に関与するポリメラーゼは1960年代と1970年代に初めて精製され特性が明らかにされたが、このプロセスを制御する多数の補助タンパク質が発見されたのは1990年代初頭になってからである。[ 103 ]
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外部リンク ウィキメディア・コモンズにある ポリアデニル化に関連するメディア