RNA

RNAの各ヌクレオチドはリボース糖を含み、炭素原子は1'から5'まで番号が付けられています。1'位には塩基が結合しており、一般的にはアデニン（A）、シトシン（C）、グアニン（G）、またはウラシル（U）のいずれかです。アデニンとグアニンはプリン塩基、シトシンとウラシルはピリミジン塩基です。リン酸基は、一方のリボースの3'位と、もう一方のリボースの5'位に結合しています。リン酸基はそれぞれ負電荷を帯びているため、RNAは荷電分子（ポリアニオン）です。塩基は、シトシンとグアニン間、およびアデニンとウラシル間で標準的な 水素結合を形成しますが、グアニンとウラシルは非標準的なG-Uウォブル塩基対を形成することもあります。^{[ 2 ]}しかし、他の相互作用も可能であり、例えば、膨らみの中でアデニン塩基のグループが互いに結合したり、^{[ 3 ]}グアニン-アデニン塩基対を持つ GNRAテトラループが存在したりする。 ^{[ 2 ]}

DNAと同様に、mRNA、tRNA、rRNA、snRNA、その他の非コードRNAを含むほとんどの生物学的に活性なRNAは、RNAの一部が折り畳まれ^{[ 8 ]}、自身と対合して二重らせんを形成することを可能にする自己相補配列を含んでいます。これらのRNAの分析により、それらが高度に構造化されていることが明らかになりました。DNAとは異なり、それらの構造は長い二重らせんではなく、タンパク質に似た構造に詰め込まれた短いらせんの集合体で構成されています。

このようにして、RNAは（酵素のように）化学触媒作用を発揮することができる。^{[ 9 ]}例えば、タンパク質の組み立てを触媒するRNA-タンパク質複合体であるリボソームの構造を調べたところ、その活性部位は完全にRNAで構成されていることが明らかになった。 ^{[ 10 ]}

RNAをDNAと区別する重要な構造要素は、リボース糖の2'位にヒドロキシル基が存在することである。この官能基の存在により、らせん構造は主にA型となる^{[ 11 ]}が、一本鎖ジヌクレオチドの文脈では、RNAはまれにDNAで最も一般的に見られるB型をとることもある^{[ 12 ]} 。A 型構造では、非常に深く狭い主溝と浅く広い副溝が生じる^{[ 13 ]}。2'-ヒドロキシル基の存在による2つ目の結果は、RNA分子の構造的に柔軟な領域（つまり、二重らせんの形成に関与していない領域）では、隣接するホスホジエステル結合を化学的に攻撃して主鎖を切断できることである^{[ 14 ] 。}

一本鎖RNA分子の機能形態は、タンパク質と同様に、特定の空間的三次構造を必要とすることが多い。この構造の足場は、分子内の水素結合である二次構造要素によって提供される。これにより、ヘアピンループ、バルジ、内部ループなどのいくつかの認識可能な二次構造の「ドメイン」が生じる。^{[ 15 ]}任意の二次構造のRNAを作成する、つまり設計するには、2つまたは3つの塩基では不十分であり、4つの塩基で十分である。^{[ 16 ]}これが、おそらく自然が4つの塩基のアルファベットを「選択した」理由である。4つ未満ではすべての構造の作成が不可能であり、4つ以上の塩基は必要ない。RNAは電荷を帯びているため、多くの二次構造および三次構造を安定化するには、 Mg2 ⁺などの金属イオンが必要である。^{[ 17 ]}

天然に存在するRNAの鏡像異性体はD -RNAであり、 D-リボヌクレオチドから構成される。すべてのキラル中心はD-リボースに存在する。L-リボース、あるいはL-リボヌクレオチドを用いることで、L -RNAを合成することができる。L - RNAはRNaseによる分解に対してはるかに安定である。^{[ 18 ]}

タンパク質などの他の構造化生体高分子と同様に、折り畳まれたRNA分子のトポロジーを定義することができる。これは多くの場合、折り畳まれたRNA分子内の鎖間接触の配置に基づいて行われ、これを回路トポロジーと呼ぶ。

RNAは4つの塩基（アデニン、シトシン、グアニン、ウラシル）のみで転写されるが、^{[ 19 ]}これらの塩基とそれに結合した糖は、RNAが成熟するにつれてさまざまな方法で修飾される可能性がある。ウラシルとリボース間の結合がC-N結合からC-C結合に変化したシュードウリジン（Ψ）とリボチミジン（T）は、さまざまな場所に見られる（最も注目すべきものはtRNAのTΨCループである）。^{[ 20 ]}もう1つの注目すべき修飾塩基は、脱アミノ化されたアデニン塩基であるヒポキサンチンであり、そのヌクレオシドはイノシン（I）と呼ばれる。イノシンは遺伝暗号のウォブル仮説において重要な役割を果たしている。^{[ 21 ]}

他にも100種類以上の天然に存在する修飾ヌクレオシドが存在する。^{[ 22 ]}修飾の構造的多様性が最も大きいのはtRNAであり、^{[ 23 ]} rRNAによく見られるシュードウリジンや2'-O-メチルリボースを持つヌクレオシドが最も一般的である。^{[ 24 ]}これらの修飾の多くがRNAにおいて果たす具体的な役割は完全には解明されていない。しかし、リボソームRNAでは、転写後修飾の多くがペプチジル転移酵素中心^{[ 25 ]}やサブユニット界面などの機能の高い領域で起こることが注目に値する。これは、これらの修飾が正常な機能にとって重要であることを示唆している。^{[ 26 ]}

メッセンジャーRNA（mRNA）は、タンパク質配列に関する情報を細胞内のタンパク質合成工場であるリボソームに運びます。mRNAは、 3つのヌクレオチド（コドン）ごとに1つのアミノ酸に対応するようにコード化されています。真核細胞では、前駆体mRNA（pre-mRNA）がDNAから転写されると、成熟mRNAに処理されます。この過程で、pre-mRNAの非コード領域であるイントロンが除去されます。その後、mRNAは核から細胞質に輸送され、そこでリボソームに結合し、tRNAの助けを借りて対応するタンパク質に翻訳されます。核と細胞質の区画を持たない原核細胞では、mRNAはDNAから転写されている間にリボソームに結合することができます。一定時間後、メッセージはリボヌクレアーゼの助けを借りて構成ヌクレオチドに分解されます。^{[ 27 ]}

トランスファーRNA （tRNA）は、翻訳中にタンパク質合成のリボソーム部位で特定のアミノ酸を成長中のポリペプチド鎖に運ぶ、約80ヌクレオチドからなる小さなRNA鎖です。アミノ酸結合部位と、水素結合を介してメッセンジャーRNA鎖上の特定の配列に結合するコドン認識のためのアンチコドン領域を持っています。 ^{[ 32 ]}

リボソームRNA（rRNA）はリボソームの触媒成分です。rRNAは翻訳を行うリボソームの成分です。真核生物のリボソームには、18S、5.8S、28S、5S rRNAの4種類のrRNA分子が含まれています。3種類のrRNA分子は核小体で合成され、1種類は他の場所で合成されます。細胞質では、リボソームRNAとタンパク質が結合して、リボソームと呼ばれる核タンパク質を形成します。リボソームはmRNAに結合し、タンパク質合成を行います。1つのmRNAには、一度に複数のリボソームが結合している場合があります。^{[ 27 ]}典型的な真核細胞に見られるRNAのほぼすべてはrRNAです。

トランスファーメッセンジャーRNA （tmRNA）は多くの細菌や葉緑体で見られます。これは、分解のための終止コドンを持たないmRNAによってコードされるタンパク質にタグを付け、リボソームの停止を防ぎます。^{[ 41 ]}

遺伝子発現の最も初期の既知の調節因子は、抑制因子および活性化因子として知られるタンパク質であり、調節される遺伝子の近くのエンハンサー領域内に特定の短い結合部位を持つ調節因子である。 ^{[ 42 ]} その後の研究により、RNAも遺伝子を調節することが示されている。真核生物には、転写後に遺伝子を抑制するRNA干渉、 エピジェネティックにクロマチンブロックを停止させる長い非コードRNA、遺伝子発現の増加を誘導するエンハンサーRNAなど、さまざまな段階で遺伝子発現を調節する数種類のRNA依存性プロセスが存在する。^{[ 43 ]}細菌や古細菌も、細菌の小型RNAやCRISPR などの調節RNAシステムを使用していることが示されている。^{[ 44 ]}ファイアとメロは、mRNAと塩基対を形成できる特定の短いRNA分子であるマイクロRNA （miRNA）を発見したことで、 2006年のノーベル生理学・医学賞を受賞した 。^{[ 45 ]}

RNAの合成は通常、細胞核内で起こり、通常はDNAを鋳型としてRNAポリメラーゼという酵素によって触媒される。この過程は転写として知られている。転写の開始は、酵素がDNA中のプロモーター配列（通常は遺伝子の「上流」にある）に結合することから始まる。DNA二重らせんは、酵素のヘリカーゼ活性によってほどかれる。その後、酵素は鋳型鎖に沿って3'から5'の方向に進み、5'から3'の方向に伸長しながら相補的なRNA分子を合成する。DNA配列は、RNA合成の終結場所も決定する。^{[ 58 ]}

一次転写RNAは、転写後に酵素によって修飾されることが多い。例えば、真核生物のpre-mRNAにはポリ(A)テールと5'キャップが付加され、イントロンはスプライソソームによって除去される。

また、RNAを鋳型として新しいRNA鎖を合成するRNA依存性RNAポリメラーゼも多数存在する。例えば、ポリオウイルスなどの多くのRNAウイルスは、このタイプの酵素を用いて遺伝物質を複製する。 ^{[ 59 ]}また、RNA依存性RNAポリメラーゼは、多くの生物におけるRNA干渉経路の一部でもある。^{[ 60 ]}

多くのRNAが他のRNAの修飾に関与している。 イントロンは、いくつかの小さな核RNA（snRNA）を含むスプライソソームによってpre-mRNAからスプライシングされるか^{[ 7 ]} 、あるいはイントロン自体がリボザイムとしてスプライシングされることもある^{[ 61 ]} 。RNAは、ヌクレオチドがA、C、G、U 以外のヌクレオチドに修飾されることによっても変化する。真核生物では、RNAヌクレオチドの修飾は一般的に、核小体とカハール体に存在する小さな核小体RNA（snoRNA; 60～300 nt）によって制御される^{[ 32 ]}。snoRNAは酵素と結合し、そのRNAと塩基対を形成することによって、酵素をRNA上の特定の場所に誘導する。これらの酵素はその後、ヌクレオチド修飾を行う。rRNAとtRNAは広範囲に修飾されるが、snRNAとmRNAも塩基修飾の標的となることがある。^{[ 62 ] [ 63 ]} RNAもメチル化されることがある。^{[ 64 ] [ 65 ]} 

DNAと同様に、RNAも遺伝情報を運ぶことができる。RNAウイルスは、多数のタンパク質をコードするRNAで構成されたゲノムを持つ。ウイルスのゲノムはこれらのタンパク質の一部によって複製され、他のタンパク質はウイルス粒子が新しい宿主細胞に移動する際にゲノムを保護する。ウイロイドは別の病原体のグループであるが、RNAのみで構成され、タンパク質をコードせず、宿主植物細胞のポリメラーゼによって複製される。^{[ 66 ]}

逆転写ウイルスは、RNAからDNAコピーを逆転写することによってゲノムを複製します。これらのDNAコピーは、新しいRNAに転写されます。レトロトランスポゾンも、DNAとRNAを互いにコピーすることによって拡散します^{[ 67 ]。}また、テロメラーゼは、真核生物の染色体の末端を構築するためのテンプレートとして使用されるRNAを含んでいます^{[ 68 ]}。

二本鎖RNA（dsRNA）は、すべての細胞に存在するDNAと同様に、相補的な2本の鎖を持つRNAですが、チミンがウラシルに置き換えられ、酸素原子が1つ追加されています。dsRNAは、一部のウイルス（二本鎖RNAウイルス）の遺伝物質を形成します。ウイルスRNAやsiRNAなどの二本鎖RNAは、真核生物におけるRNA干渉や脊椎動物におけるインターフェロン応答を引き起こす可能性があります。^{[ 69 ] [ 70 ] [ 71 ] [ 72 ]}真核生物では、二本鎖RNA（dsRNA）は、ウイルス感染に対する自然免疫系の活性化に役割を果たします。^{[ 73 ]}

1970年代後半、動物界と植物界全体で発現する一本鎖共有結合閉環型、すなわち環状RNAが存在することが示された（circRNAを参照）。^{[ 74 ]} circRNAは、スプライソソームが上流の3'アクセプターを下流の5'ドナースプライス部位に結合させる「バックスプライス」反応によって生じると考えられている。これまでのところ、circRNAの機能はほとんど不明であるが、いくつかの例ではマイクロRNAスポンジング活性が実証されている。

1968年、カール・ウーズはRNAが触媒作用を持つ可能性があると仮説を立て、初期の生命体（自己複製分子）は遺伝情報を運ぶためと生化学反応を触媒するための両方にRNAに依存していた可能性があると示唆した。つまりRNAワールドである。^{[ 88 ] [ 89 ]} 2022年5月、科学者たちは、初期の地球に豊富にあったと推定される前生物的玄武岩溶岩ガラス上でRNAが自然に形成されることを発見した。^{[ 90 ] [ 91 ]}

2015 年 3 月、ウラシル、シトシン、チミンなどのDNAおよび RNA核酸塩基が、隕石によく見られる有機化合物であるピリミジンなどの開始化学物質を使用して、宇宙空間の条件下で実験室で形成されたと報告された。ピリミジンは、多環芳香族炭化水素(PAH) と同様に、宇宙で見つかった最も炭素に富む化合物の 1 つです。赤色巨星または星間塵とガス雲で形成された可能性があります。 ^{[ 92 ]} 2022 年 7 月、天文学者は、天の川銀河の中心で、RNA の前駆体の可能性のあるものを含む大量の生命前駆分子を報告した。^{[ 93 ] [ 94 ]}