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RNA結合タンパク質（しばしばRBPと略される）は、細胞内で二本鎖または一本鎖RNAに結合し、リボ核タンパク質複合体の形成に関与するタンパク質である[ 1 ] 。RBPは、 RNA認識モチーフ（RRM）、dsRNA結合ドメイン、ジンクフィンガーなど、さまざまな構造モチーフを含んでいる[ 2 ] [ 3 ]。RBPは細胞質タンパク質と核タンパク質 である。しかし、成熟RNAのほとんどは比較的速やかに核から輸送されるため、核内のほとんどのRBPは、ヘテロ核リボ核タンパク質粒子（hnRNP）と呼ばれるタンパク質とpre-mRNAの複合体として存在する。RBPは、細胞機能、輸送、局在化などのさまざまな細胞プロセスにおいて重要な役割を担っている。特に、スプライシング、ポリアデニル化、mRNA安定化、mRNA局在化、翻訳など、RNAの転写後制御において重要な役割を果たしている。真核細胞は、独自のRNA結合活性とタンパク質間相互作用を持つ多様なRBPを発現する。真核RBPデータベース（EuRBPDB）によると、ヒトにはRBPをコードする遺伝子が2961個ある。進化の過程で、イントロン数の増加に伴いRBPの多様性は大きく増加した。この多様性により、真核細胞はRNAエクソンをさまざまな配置で利用することができ、各RNAに対して独自のRNP（リボ核タンパク質）が生じた。RBPは遺伝子発現の転写後調節において重要な役割を果たしているが、体系的に研究されているRBPは比較的少ない。現在では、RNA-RBP相互作用が生物の多くの生物学的プロセスにおいて重要な役割を果たしていることが明らかになっている。[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]
多くのRBPはモジュール構造を持ち、限られた配列を持つ少数の特定の基本ドメインの複数回の繰り返しから構成されています。異なるRBPは、これらの配列をさまざまな組み合わせで含んでいます。特定のタンパク質による特定のRNAの認識は、これらの少数の基本ドメインの再配置によって進化してきました。各基本ドメインはRNAを認識しますが、これらのタンパク質の多くは、機能するために多くの共通ドメインのいずれかの複数コピーを必要とします。[ 2 ]
RNAポリメラーゼから核RNAが出現すると、RNA転写産物はすぐにRNA結合タンパク質で覆われ、RNA生合成、成熟、輸送、細胞内局在、安定性など、RNA代謝と機能のあらゆる側面が制御されます。すべてのRBPはRNAに結合しますが、RNA配列特異性と親和性が異なるため、RBPは標的と機能と同じくらい多様です。[ 5 ]これらの標的には、タンパク質をコードするmRNAや、多数の機能的な非コードRNAが含まれます。NcRNAは、裸のRNAとしてではなく、ほとんどの場合リボ核タンパク質複合体として機能します。これらの非コードRNAには、マイクロRNA、低分子干渉RNA（siRNA）、スプライソソーム低分子核RNA（snRNA）が含まれます。[ 7 ]
選択的スプライシングは、同じ遺伝子から異なる形態の成熟mRNA（メッセンジャーRNA）が生成されるメカニズムです。これは、エクソンのmRNAへの組み込みのバリエーションが複数の関連タンパク質の生成につながり、ゲノム出力の可能性を拡大する調節メカニズムです。RBPはこのプロセスの調節に広く関与しています。神経特異的RNA結合タンパク質、すなわちNOVA1などの結合タンパク質は、RNAの特定の配列（YCAY、Yはピリミジン、UまたはCを示す）を認識して結合することにより、hnRNAのサブセットの選択的スプライシングを制御します。[ 5 ]これらのタンパク質は、この標的部位にスプライソソームタンパク質をリクルートします。SRタンパク質は、スプライソソームを形成するsnRNP 、すなわちU1 snRNPおよびU2AF snRNPのリクルートによる選択的スプライシングにおける役割でもよく知られています。しかし、RBPはスプライソソーム自体の一部でもあります。スプライソソームはsnRNAとタンパク質サブユニットの複合体であり、イントロンを除去して隣接するエクソンを連結する機械的因子として機能します。[ 7 ]コアスプライソソーム複合体以外にも、RBPはスプライシング中のエクソンの包含または排除に影響を与えるシス作用RNAエレメントの部位にも結合します。これらの部位は、エクソンスプライシングエンハンサー（ESE）、エクソンスプライシングサイレンサー（ESS）、イントロンスプライシングエンハンサー（ISE）、イントロンスプライシングサイレンサー（ISS）と呼ばれ、結合部位に応じて、RBPはスプライシングサイレンサーまたはエンハンサーとして機能します。[ 8 ]
RNA編集の中で最も広く研究されているのは、ADARタンパク質によるものです。このタンパク質は、mRNA転写産物の転写後修飾によってRNAのヌクレオチド組成を変化させることで機能します。これは、ADARによって触媒される酵素反応でアデノシンをイノシンに変換することによって行われます。このプロセスにより、RNA配列はゲノムによってコードされているものと効果的に変化し、遺伝子産物の多様性が拡大します。RNA編集の大部分はRNAの非コード領域で起こりますが、タンパク質をコードするRNA転写産物の一部も編集を受け、その結果、タンパク質のアミノ酸配列に違いが生じることが示されています。その一例として、グルタミン酸受容体mRNAがあり、グルタミンがアルギニンに変換されることでタンパク質の機能が変化します。[ 5 ]
ポリアデニル化とは、 3'非翻訳領域内のAAUAAA配列から約20塩基下流のRNA転写産物にアデニル酸残基の「テール」が付加されることです。mRNAのポリアデニル化は、核輸送、翻訳効率、および安定性に強い影響を与えます。これらすべて、およびポリアデニル化のプロセスは、特定のRBPの結合に依存します。ごく少数の例外を除いて、すべての真核生物mRNAは、約200ヌクレオチドの3'ポリ(A)テールを受け取るように処理されます。このプロセスに必要なタンパク質複合体の1つはCPSFです。CPSFは3'テール(AAUAAA)配列に結合し、ポリ(A)結合タンパク質と呼ばれる別のタンパク質とともに、ポリ(A)ポリメラーゼの活性をリクルートして刺激します。ポリ(A)ポリメラーゼは単独では不活性であり、適切に機能するためにはこれらの他のタンパク質の結合が必要です。[ 5 ]
処理が完了した後、mRNAは細胞核から細胞質へ輸送される必要があります。これは、核内でのカーゴキャリア複合体の生成、続いて核膜孔複合体を通じた複合体の転座、そして最後にカーゴの細胞質への放出という3段階のプロセスです。その後、キャリアはリサイクルされます。TAP/NXF1:p15ヘテロ二量体は、mRNA輸出のキープレーヤーであると考えられています。アフリカツメガエルでTAPを過剰発現させると、そうでなければ効率的に輸出されない転写産物の輸出が増加します。しかし、TAPはmRNAと直接相互作用できないため、アダプタータンパク質が必要です。Aly/REFタンパク質はmRNAと相互作用して結合し、TAPをリクルートします。[ 5 ]
mRNAの局在化は、空間的に制御されたタンパク質産生を可能にすることで、遺伝子発現の調節に不可欠です。mRNAの局在化により、タンパク質は細胞内の目的の標的部位で翻訳されます。これは、細胞分裂が急速に起こり、異なる細胞がさまざまなmRNAの組み合わせを持つようになる初期発生において特に重要であり、その結果、細胞の運命が大きく異なる可能性があります。RBPは、タンパク質が目的の領域でのみ翻訳されることを保証するこのmRNAの局在化に不可欠です。これらのタンパク質の1つがZBP1です。ZBP1は転写部位でβ-アクチンmRNAに結合し、mRNAとともに細胞質に移動します。その後、このmRNAをいくつかの非対称細胞型のラメラ領域に局在化させ、そこで翻訳されます。[ 5 ] 2008年に、 FMRPが培養海馬ニューロンの神経樹状突起におけるいくつかの樹状突起mRNAの刺激誘導局在化に関与していることが提案されました。 [ 9 ] CA1海馬ニューロンの微細解剖された樹状突起に存在するFMRP結合RNAに関する最近の研究では、野生型マウス脳とFMRP欠損マウス脳の間で局在に変化は見られなかった。[ 10 ]
翻訳調節は、遺伝子発現を制御する迅速なメカニズムを提供する。転写レベルで遺伝子発現を制御するのではなく、mRNAはすでに転写されているが、リボソームのリクルートが制御される。これにより、シグナルが翻訳を活性化すると、タンパク質が迅速に生成される。ZBP1は、β-アクチンmRNAの局在化における役割に加えて、翻訳開始を阻害することによってβ-アクチンmRNAの翻訳抑制にも関与している。リボソームが適切に結合して翻訳を開始できるようにするには、ZBP1がmRNAから除去されなければならない。[ 5 ]
RNA結合タンパク質は、RNAの配列、構造、モチーフ、およびRNA修飾を認識することにより、RNA標的を非常に特異的に認識します。[ 11 ] RNA結合タンパク質の特異的な結合により、標的を識別し、RNA転写産物の生成、成熟、および寿命を制御することにより、さまざまな細胞機能を調節することができます。この相互作用は転写中に始まり、一部のRBPは分解されるまでRNAに結合したままですが、他のRBPはRNAのスプライシング、処理、輸送、および局在化を調節するために一時的にのみRNAに結合します。[ 12 ]クロスリンク免疫沈降（CLIP）法は、さまざまな組織および生物におけるRNA結合タンパク質の直接RNA結合部位を厳密に特定するために使用されます。このセクションでは、最も広く研究されている3つのクラスのRNA結合ドメイン（RNA認識モチーフ、二本鎖RNA結合モチーフ、亜鉛フィンガーモチーフ）について説明します。
RNA認識モチーフは、最も一般的なRNA結合モチーフであり、75～85個のアミノ酸からなる小さなタンパク質ドメインで、2つのαヘリックスに対して4本のβシートを形成します。この認識モチーフは、特にmRNA/rRNAプロセシング、スプライシング、翻訳調節、RNA輸送、RNA安定性など、数多くの細胞機能において役割を果たします。NMR分光法とX線結晶構造解析により、10個のRRM構造が同定されています。これらの構造は、タンパク質-RNA相互作用に加えてRNA-RNA相互作用とタンパク質-タンパク質相互作用も伴うため、RRMのタンパク質-RNA認識の複雑さを示しています。これらの複雑さにもかかわらず、10個の構造すべてに共通する特徴があります。すべてのRRMの主要タンパク質表面の4本のβシートはRNAと相互作用することがわかっており、通常は特定の方法で2つまたは3つのヌクレオチドと接触します。さらに、ドメイン間リンカーとRNAの間、およびRRM同士の相互作用により、強力なRNA結合親和性と変異に対する特異性が実現される。RRMのこの可塑性は、RRMが最も豊富なドメインである理由と、それが様々な生物学的機能において重要な役割を果たす理由を説明する。[ 12 ]
70～75アミノ酸からなる二本鎖RNA結合モチーフ（dsRM、dsRBD）は、RNAプロセシング、RNA局在化、RNA干渉、RNA編集、翻訳抑制において重要な役割を果たしている。2005年までに解明されたこのドメインの3つの構造はすべて、dsRMがdsDNAではなくdsRNAにのみ結合する理由を説明する共通の特徴を持っている。dsRMは、αヘリックスとβ1-β2ループの両方を介してRNA二重らせんに沿って相互作用することがわかった。さらに、3つのdsRBM構造はすべて、β1-β2ループとαヘリックス2のN末端領域を介して、主溝と1つの副溝の糖リン酸骨格と接触している。この相互作用は、2'-ヒドロキシル基とリン酸酸素が関与しているため、RNA二重らせんの形状に対する独自の適応である。 dsRBMには共通の構造的特徴があるにもかかわらず、それぞれ異なる化学的骨格を示し、ステムループ、内部ループ、バルジ、ミスマッチを含むらせんなど、さまざまなRNA構造に対する特異性を可能にしている。[ 12 ]
CCHH型ジンクフィンガードメインは、真核生物ゲノム内で最も一般的なDNA結合ドメインである。DNAの配列特異的な認識を高度に実現するために、複数のジンクフィンガーがモジュール式に利用されている。ジンクフィンガーはββαタンパク質フォールドを示し、βヘアピンとαヘリックスがZn2 +を介して結合している。イオン。さらに、αヘリックスのタンパク質側鎖と主溝のDNA塩基との相互作用により、DNA配列特異的な認識が可能になります。DNAを広く認識するにもかかわらず、亜鉛フィンガーがRNAを認識する能力も持っていることが最近発見されました。CCHH亜鉛フィンガーに加えて、CCCH亜鉛フィンガーは、分子間水素結合とRNA塩基のワトソンクリックエッジとの相互作用を介して、一本鎖RNAの配列特異的な認識を行うことが最近発見されました。CCHH型亜鉛フィンガーは、2つのRNA結合方法を採用しています。1つ目は、亜鉛フィンガーが二重らせんのバックボーンと非特異的な相互作用を行う方法であり、2つ目は、亜鉛フィンガーが突出した個々の塩基を特異的に認識する方法です。CCHH型とは異なり、CCCH型亜鉛フィンガーは、一本鎖RNAを配列特異的に識別する別のRNA結合モードを示します。全体として、亜鉛フィンガーは、dsDNA配列への結合を介してDNAを直接認識し、ssRNA配列への結合を介してRNAを直接認識することができます。[ 12 ]
RNA結合タンパク質によるRNAの転写および転写後調節は、発生中の遺伝子発現パターンの調節に役割を果たしている。[ 13 ]線虫C. elegansに関する広範な研究により、RNA結合タンパク質は生殖細胞および初期胚発生における必須因子であることが明らかになっている。その具体的な機能には、体細胞組織（神経細胞、表皮、筋肉、排泄細胞）の発達と、発生イベントのタイミングの合図の提供が含まれる。しかし、RNA標的を特定することが困難であるため、発生におけるRBPの機能のメカニズムを解明することは非常に難しい。これは、ほとんどのRBPが通常複数のRNA標的を持つためである。[ 14 ]しかし、RBPが協調的に発生経路を調節する上で重要な制御を及ぼしていることは疑いようがない。
ショウジョウバエでは、Elav、Sxl、tra-2は、初期の性決定と体細胞の性状態の維持に重要なRNA結合タンパク質をコードする遺伝子である。[ 15 ]これらの遺伝子は、ショウジョウバエの性特異的スプライシングを調節することにより、転写後レベルに影響を与える。Sxlは、雌性化遺伝子traの正の調節を行い、雌で機能的なtra mRNAを生成する。C . elegansでは、FOG-1、MOG-1/-4/-5、RNP-4などのRNA結合タンパク質が、生殖細胞系と体細胞の性決定を調節する。さらに、GLD-1、GLD-3、DAZ-1、PGL-1、OMA-1/-2などのいくつかのRBPは、減数分裂前期の進行、配偶子形成、卵母細胞の成熟中に調節機能を発揮する。[ 14 ]
生殖細胞系列の発達における RBP の機能に加えて、転写後制御は体細胞発達においても重要な役割を果たします。生殖細胞系列および初期胚発生に関与する RBP とは異なり、体細胞発達で機能する RBP は、mRNA ターゲットの組織特異的な選択的スプライシングを制御します。例えば、RRM ドメインを含む MEC-8 および UNC-75 は、それぞれ皮下組織および神経系の領域に局在します。[ 14 ]さらに、別の RRM 含有 RBP である EXC-7 は、体細胞発達中に胚の排泄管細胞および神経系全体に局在することが明らかになっています。
ZBP1は海馬ニューロンの樹状突起形成を調節することが示されている。 [ 16 ]樹状突起形成に関与する他のRNA結合タンパク質はPumilioとNanos、[ 17 ] FMRP、CPEB、Staufen 1 [ 18 ]である。
RBPは腫瘍発生において重要な役割を果たすことが明らかになってきている。[ 19 ]数百のRBPがヒト癌全体で著しく調節異常を起こしており、正常組織に関連する腫瘍では主に下方制御されていることが示されている。[ 19 ]多くのRBPは、例えばKHDRBS1(Sam68)、[ 20 ] [ 21 ] ELAVL1(HuR)、[ 22 ] [ 23 ] FXR1 [ 24 ]およびUHMK1 [ 25 ]のように、異なる癌種で異なって発現している。一部のRBPでは、発現の変化はコピー数変異(CNV)に関連しており、例えば大腸癌細胞におけるBYSLのCNV増加[ 19 ]、乳癌におけるESRP1、CELF3、肝癌におけるRBM24、肺癌におけるIGF2BP2、IGF2BP3、または肺癌におけるKHDRBS2のCNV減少などが挙げられる。[ 26 ]発現の変化は、例えば NSUN6、ZC3H13、ELAC1、RBMS3、ZGPAT、SF3B1、SRSF2、RBM10、U2AF1、SF3B1、PPRC1、RBMXL1、HNRNPCL1 などのこれらの RBP のタンパク質に影響を与える変異によって引き起こされます。 [ 19 ] [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]いくつかの研究では、RBP の発現の変化が癌における異常な代替スプライシングと関連付けられています。[ 26 ] [ 30 ] [ 31 ]
RNA結合タンパク質は多数の細胞機能を大きく制御するため、多くの研究者にとって人気の研究分野となっています。生物学分野におけるその重要性から、RNA結合タンパク質の可能性に関する多くの発見が最近明らかにされています。[ 12 ] RNA結合タンパク質の実験的同定における最近の進歩により、RNA結合タンパク質の数が大幅に増加しました。[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]
RNA結合タンパク質Sam68は、樹状突起における適切なシナプス機能を達成するために、 RNA代謝の空間的および時間的区画化を制御します。Sam68の欠損は転写後調節の異常を引き起こし、最終的には脆弱X症候群関連振戦/運動失調症などの神経疾患につながります。Sam68は、細胞骨格成分とともに樹状突起スパインのシナプス形成を調節するβ-アクチンをコードするmRNAと相互作用することがわかっています。したがって、Sam68はシナプス後β-アクチンmRNA代謝の制御を介してシナプス数の調節に重要な役割を果たします。[ 35 ]
ニューロン特異的なCELFファミリーRNA結合タンパク質UNC-75は、C. elegansの神経細胞において、エクソン7aの選択のために3つのRNA認識モチーフを介してUUGUUGUGUUGU mRNA配列に特異的に結合する。非神経細胞では弱いスプライス部位のためにエクソン7aがスキップされるため、UNC-75は神経細胞においてのみエクソン7aとエクソン8の間のスプライシングを特異的に活性化することがわかった。[ 36 ]
寒冷誘導性RNA結合タンパク質CIRBPは、短波長紫外線、低酸素症、低体温症など、さまざまな細胞ストレスに直面した際の細胞応答の制御に役割を果たしている。この研究は、疾患状態と炎症との関連性について潜在的な示唆を与えた。[ 37 ]
セリン-アルギニンファミリーのRNA結合タンパク質Slr1は、カンジダ・アルビカンスの極性成長を制御することがわかった。マウスのSlr1変異は、菌糸形成の減少と上皮細胞および内皮細胞への損傷の軽減をもたらし、Slr1野生型株と比較して生存率の延長につながる。したがって、この研究は、SR様タンパク質Slr1がC.アルビカンスの菌糸形成と病原性の開始に役割を果たしていることを明らかにしている。[ 38 ]