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Rループは、DNA: RNAハイブリッドと、それに関連する非テンプレート一本鎖DNAで構成される 3 本鎖核酸構造です。R ループはさまざまな状況で形成され、細胞成分によって許容または除去される可能性があります。「R ループ」という用語は、これらの構造がD ループに類似していることを反映して付けられました。この場合の「R」は、RNA部分の関与を表しています。
実験室では、RNAポリメラーゼの進行の後ろでRNAのアニーリングに有利なDNA配列（例えばGC含有量の高いもの）を転写することでRループを形成できる。[1]安定したRループ構造を形成するには、少なくとも100bpのDNA:RNAハイブリッドが必要である。Rループは、 DNA-RNAハイブリッドの形成に有利な条件下で成熟mRNAと二本鎖DNAをハイブリダイズさせることによっても形成される。この場合、イントロン領域（mRNAから切り取られている）はmRNAの相補配列とハイブリダイズできないため、一本鎖DNAループを形成する。[2]
歴史
Rループは1976年に初めて記述されました。[3]リチャード・J・ロバーツとフィリップ・A・シャープの研究室による独立したRループ研究では、タンパク質コードアデノウイルス 遺伝子に、成熟mRNAには存在しないDNA配列が含まれていることが示されました。 [4] [5]ロバーツとシャープは、独立してイントロンを発見したことで1993年にノーベル賞 を受賞しました。アデノウイルスでの発見後、真核生物の卵白アルブミン遺伝子（最初はオマリー研究室で、その後他のグループによって確認）、[6] [7] ヘキソンDNA、[4]およびテトラヒメナ・サーモフィラの染色体外 rRNA遺伝子など、多くの真核生物遺伝子でイントロンが発見されました。[8]
1980年代半ばには、Rループ構造に特異的に結合する抗体の開発により、免疫蛍光研究やDRIP-seqによるRループ形成のゲノムワイドな特徴づけが可能になった。[9]
Rループマッピング
Rループマッピングは、二本鎖DNAのイントロンとエクソンを区別するために使用される実験技術です。 [10]これらのRループは電子顕微鏡で視覚化され、これらの領域に未結合ループを作成することでDNAのイントロン領域を明らかにします。[11]
Rループ生体内
Rループが複製プライマーとして機能する可能性は1980年に実証されました。[12] 1994年には、トポイソメラーゼに変異を持つ大腸菌変異体から分離されたプラスミドの分析を通じて、Rループが生体内に存在することが実証されました。[13]この内因性Rループの発見は、遺伝子配列決定技術の急速な進歩と相まって、2000年代初頭にRループ研究の開花を促し、今日まで続いています。[14]
Rループの形成と解消の調節
Rループの蓄積に影響を与えると思われるタンパク質は50種類以上あり、その多くは新しく転写されたRNAを隔離または処理してテンプレートへの再アニーリングを防ぐことによって寄与していると考えられていますが、これらのタンパク質の多くにおけるRループ相互作用のメカニズムはまだ解明されていません。[15]
Rループ内の二重鎖に閉じ込められたRNAを除去できる酵素には、主に3つのクラスがあります。RNaseH酵素は、Rループの溶解を担う主要なタンパク質で、2つの相補的なDNA鎖がアニールできるようにRNA部分を分解します。[ 16]あるいは、ヘリカーゼはRNA:DNA二重鎖をほどき、RNAを放出します。セナタキシンはssRNAに沿って移動できるヘリカーゼの1つで、転写一時停止部位でのRループ形成を防ぐために必要と思われます。[17] Rループを除去できる3番目の酵素クラスは、ヒトのFANCM、SMARCAL1 、ZRANB3、または細菌のRecGなどの分岐点トランスロカーゼです。 [1]分岐点トランスロカーゼは、DNA:RNAハイブリッドに隣接する二重鎖DNAに作用します。分岐点を押すことで、DNAを「閉じて」閉じ込められたRNAを追い出す働きをします。これにより、分岐点トランスロカーゼは、R ループ構造に結合した RNA とタンパク質の両方を効率的に除去できます。分岐点トランスロカーゼは、困難な構造で発生する一部の種類の R ループで RNaseH およびヘリカーゼと連携して機能する場合があります。
遺伝子制御におけるRループの役割
Rループの形成は、活性化B細胞が抗体産生を調節するプロセスである免疫グロブリンクラススイッチの重要なステップです。[18]また、一部の活性プロモーターをメチル化から保護する役割も果たしているようです。[19] Rループの存在は転写を阻害することもあります。[20]さらに、Rループの形成は、活発に転写されている領域の特徴である「オープン」クロマチンと関連しているようです。[21] [22]
遺伝子損傷としてのRループ
予定外のRループが形成されると、さまざまなメカニズムによって損傷を引き起こす可能性があります。[23]露出した一本鎖DNAは、活性化誘導シチジンデアミナーゼなどのDNA修飾酵素を含む内因性変異原の攻撃を受ける可能性があり、複製フォークをブロックしてフォークの崩壊とそれに続く二本鎖切断を誘発する可能性があります。[24]また、Rループはプライマーとして作用して予定外の複製を誘発することもあります。[12] [22]
Rループの蓄積は、筋萎縮性側索硬化症4型（ALS4）、運動失調症2型（AOA2）、エカルディ・グティエール症候群、アンジェルマン症候群、プラダー・ウィリー症候群、癌など、多くの疾患と関連している。[14]ファンコニ貧血に関連する遺伝子も、Rループが蓄積する条件下でのゲノム安定性の維持に重要であると思われる。[25]
Rループ、イントロン、DNA損傷
イントロンは遺伝子内の非コード領域であり、遺伝子のコード領域とともに転写されるが、その後スプライシングによって一次RNA転写産物から除去される。DNAの活発に転写される領域は、DNA損傷に対して脆弱なRループを形成することが多い。イントロンは、高度に発現する酵母遺伝子におけるRループ形成とDNA損傷を軽減する。[26] ゲノムワイド解析により、酵母とヒトの両方で、イントロンを含む遺伝子は、同様の発現を示すイントロンのない遺伝子と比較して、RループレベルとDNA損傷が減少していることが示された。[26] Rループが発生しやすい遺伝子内にイントロンを挿入すると、Rループ形成と組み換えも抑制できる。Bonnetら (2017) [26]は、遺伝的安定性を維持するイントロンの機能が、特に高度に発現する遺伝子における特定の場所でのイントロンの進化的維持を説明できるのではないかと推測した。
参照
参考文献
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