RNA編集

RNA編集（RNA修飾とも呼ばれる）は、 RNAポリメラーゼによって生成されたRNA分子内の特定のヌクレオチド配列に一部の細胞が個別の変更を加えることができる分子プロセスである。これはすべての生物で発生し、RNAの最も進化的に保存された特性の1つである。^{[1] [2] [3]} RNA編集には、RNA分子内のヌクレオチドの挿入、削除、および塩基置換が含まれる場合がある。RNA編集は比較的まれであり、一般的な形態のRNA処理（例：スプライシング、5'-キャッピング、および3'-ポリアデニル化）は通常、編集とは見なされない。これはRNAの活性、局在、および安定性に影響を与える可能性があり、ヒトの疾患との関連が指摘されている。^{[1] [2] [3] [4]}

RNA編集は、真核生物とそのウイルス、古細菌、原核生物のtRNA、rRNA、mRNA、またはmiRNA分子の一部で観察されています。^[5] RNA編集は細胞核だけでなく、ミトコンドリアやプラスチド内でも起こります。脊椎動物では編集はまれで、通常は影響を受ける分子の配列に対する少数の変更で構成されます。イカなどの他の生物では、^[6]広範な編集（パン編集）が発生する可能性があり、場合によってはmRNA配列の大部分のヌクレオチドが編集の結果である可能性があります。これまでに160種類以上のRNA修飾が報告されています。^[7]

RNA編集プロセスは分子的に多様性に富んでおり、そのいくつかは独立して進化的に最近獲得されたものであると思われる。RNA編集現象の多様性には、シチジン（C）からウリジン（U）への、アデノシン（A）からイノシン（I）への脱アミノ化などの核酸塩基の修飾や、非テンプレートヌクレオチドの追加および挿入が含まれる。mRNAにおけるRNA編集は、コード化されたタンパク質のアミノ酸配列を、ゲノムDNA配列から予測される配列とは異なるように効果的に変更する。^[8]

RNA分子の多様な転写後修飾を同定し、次世代RNAシーケンシングによってRNA修飾のトランスクリプトーム全体の状況を決定するために、最近多くの研究で従来型^[9]または特殊なシーケンシング法が開発されています。^{[1] [2] [3]}特殊な方法の例としては、MeRIP-seq、^[10] m6A-seq、^[11] PA-m^{​​ 5} C-seq ^[12] 、 methylation-iCLIP、^[13] m6A-CLIP、^[14] Pseudo-seq、^[15] Ψ-seq、^[16] CeU-seq、^[17] Aza-IP ^[18]およびRiboMeth-seq ^[19]があります。これらの方法の多くは、例えば抗体結合と捕捉されたリードのシーケンシングを組み合わせるなど、特定の修飾を含むRNA種の特異的捕捉に基づいています。シーケンシング後、これらのリードはトランスクリプトーム全体に対してマッピングされ、どこから来たのかが分かります。^[20]一般的にこの種のアプローチでは、修飾の位置を確認するとともに、さらに同定とマッピングに役立つ可能性のあるコンセンサス配列を特定することができます。 特殊な方法の1つの例は、PA-m ^{5 C-seqです。 この方法は、PA-m 6} A-seq法からさらに発展したもので、元のターゲットであるN6-メチルアデノシンではなく、mRNA上のm ^{5 C修飾を特定します。 捕捉抗体をm6A特異的からm 5} C特異的に変更するだけで、異なる修飾をターゲットとして簡単に切り替えることができます。^[12]これらの方法の適用により、コード遺伝子および非コード遺伝子（tRNA、lncRNA、マイクロRNAなど）内のさまざまな修飾（例：シュードウリジン、m ⁶ A、m5C、2′-O-Me）が1ヌクレオチドまたは非常に高い解像度で特定されています。^[4]

質量分析は、RNA修飾を定量化する方法です。^[21]多くの場合、修飾は特定のヌクレオシドの質量の増加を引き起こします。これにより、ヌクレオシドと修飾された対応物の特徴的な情報が得られます。^{[21]さらに、質量分析では、}生体内で安定した（非放射性の）重同位体でRNA分子を標識することにより、修飾のダイナミクスを調査できます。重同位体標識ヌクレオシドの質量増加は明確に定義されているため、質量分析によって、重同位体標識ヌクレオシドをそれぞれの非標識同位体と区別できます。この方法は、NAIL-MS（核酸同位体標識結合質量分析）と呼ばれ、さまざまなアプローチでRNA修飾のダイナミクスを調査できます。^{[22] [23] [24]}

最近、機能実験により、RNA修飾の多くの新たな機能的役割が明らかになった。RNA修飾のほとんどは転移RNAとリボソームRNAに見られるが、真核生物のmRNAも複数の異なる修飾で修飾されていることが示されている。mRNA上の17の天然の修飾が特定されており、その中でN6-メチルアデノシンが最も豊富で研究されている。^[25] mRNA修飾は細胞内の多くの機能に関連している。それらはmRNAの正しい成熟と機能を保証するが、同時に細胞の免疫システムの一部としても機能する。^[26] 2'O-メチル化ヌクレオチドなどの特定の修飾は、細胞が自身のmRNAを外来RNAと区別する能力と関連付けられている。^[27]たとえば、m6A^はタンパク質の翻訳と局在、^{[1] [2] [3]} mRNAの安定性、^[28]代替ポリAの選択^[14]および幹細胞の多能性に影響を与えると予測されている。^[29] ナンセンスコドンの擬似ウリジン化は、in vitroおよびin vivo の両方で翻訳終結を抑制するため、RNA修飾が遺伝暗号を拡張する新しい方法となる可能性があることを示唆している。^[30]一方、5-メチルシトシンは、核から細胞質へのmRNA輸送および翻訳の促進に関連している。 m ⁵ Cのこれらの機能は完全には解明されておらず、証明されていないが、細胞内でのこれらの機能に対する1つの強力な議論は、m ⁵ Cが翻訳開始部位に局在することが観察されている。^[31]重要なことに、多くの修飾酵素は、多くの疾患タイプで調節不全および遺伝的変異を起こしている。^[1]たとえば、擬似ウリジン合成酵素の遺伝子変異は、ミトコンドリアミオパシー、鉄芽球性貧血（MLASA）^[32]および先天性角化異常症を引き起こす。^[33]

tRNAやrRNAなどの他のRNA種から特定された修飾と比較すると、mRNAで特定された修飾の量は非常に少ない。mRNA修飾があまり知られていない最大の理由の1つは、研究手法が不足していることである。特定された修飾の不足に加えて、関連するタンパク質の知識も他のRNA種より遅れている。修飾は、RNA分子と特定の酵素の相互作用の結果である。^[25] mRNA修飾を考えると、知られている関連酵素のほとんどは、mRNAに修飾を追加する書き込み酵素です。追加の酵素グループであるリーダーとイレイザーは、ほとんどの修飾についてほとんど知られていないか、まったく知られていません。^[34] これらの理由から、過去10年間、これらの修飾とその機能の研究に大きな関心が寄せられてきました。^[20]

転移RNA（tRNA）は、最も多く修飾されているRNAの一種です。^[35 ] tRNAの修飾は、支持構造、アンチコドン-コドン相互作用、酵素との相互作用を通じて翻訳効率を維持する上で重要な役割を果たします。^[36]

アンチコドンの修飾は、mRNA の適切なデコードに重要です。遺伝暗号は縮退しているため、mRNA を適切にデコードするにはアンチコドンの修飾が必要です。特に、アンチコドンのウォブル位置によってコドンの読み取り方法が決定されます。たとえば、真核生物では、アンチコドンの位置 34 のアデノシンはイノシンに変換されます。イノシンは、シトシン、アデニン、ウリジンと塩基対を形成できる修飾です。^[37]

tRNAでよく修飾されるもう一つの塩基は、アンチコドンに隣接する位置です。位置37は、かさばる化学修飾によって高度に修飾されることが多いです。これらの修飾はフレームシフトを防ぎ、スタッキング相互作用を通じてアンチコドンとコドンの結合安定性を高めます。^[37]

リボソームRNA（rRNA）は、翻訳プロセス中のリボソームの構成とペプチドの転移に不可欠です。^[38]リボソームRNAの修飾はリボソーム合成中に行われ、翻訳中および/または翻訳後に発生することがよくあります。修飾は主に、翻訳効率を保護するためにrRNAの構造に役割を果たします。^[38] rRNAの化学修飾は、リボース糖のメチル化、ウリジンの異性化、および個々の塩基のメチル化とアセチル化で構成されます。 ^[39]

rRNAのメチル化は、塩基対のスタッキングをブロックすることで構造的剛性を維持し、2'-OH基を取り囲んで加水分解をブロックします。これは真核生物のrRNAの特定の部分で発生します。メチル化のテンプレートは10〜21ヌクレオチドで構成されています。^[38]リボース糖の2'-O-メチル化は、最も一般的なrRNA修飾の1つです。^[40]メチル化は主に、snoRNPと呼ばれる小さな核小体RNAによって導入されます。メチル化部位を標的とするsnoRNPには2つのクラスがあり、ボックスC/DとボックスH/ACAと呼ばれます。^{[39] [40]}メチル化の1つのタイプである2'-O-メチル化は、らせんの安定化に寄与します。^[38]

ウリジンから擬似ウリジンへの異性化は、rRNA 修飾で 2 番目に多いものです。これらの擬似ウリジンも、メチル化に関与する同じクラスの snoRNP によって導入されます。擬似ウリジン合成酵素は、この反応に関与する主要な酵素です。^[41] H/ACA ボックス snoRNP は、約 14～15 ヌクレオチド長のガイド配列を導入します。^[39]擬似ウリジン化は、RNA の熱安定性を維持するために、rRNA の多数の場所で同時にトリガーされます。^[39]擬似ウリジンは、水素結合を増加させ、rRNA と tRNA の翻訳を変更します。^{[40] [41]}擬似ウリジンは、特定の mRNA に対するリボソームサブユニットの親和性を高めることで翻訳を変更します。^[38]

ベース編集:

塩基編集は、特に真核生物におけるrRNA修飾の3番目の主要なクラスです。小リボソームサブユニットと大リボソームサブユニットの間のギャップで発生する可能性のある塩基編集には8つのカテゴリがあります。^[38] RNAメチルトランスフェラーゼは、塩基のメチル化を導入する酵素です。^[38]アセチルトランスフェラーゼは、rRNAのシトシンのアセチル化を担う酵素です。塩基のメチル化は翻訳に役割を果たします。これらの塩基修飾はすべて、他の2つの主要な修飾クラスと連携して機能し、RNAの構造安定性に寄与します。その一例はN7メチル化で発生し、これはヌクレオチドの電荷を増加させて、翻訳前にRNAに付着するタンパク質のイオン相互作用を増加させます。

ウラシルの追加と削除によるRNA編集は、トリパノソーマ・ブルーセイのミトコンドリアのキネトプラストで発見されている。^[42] これは遺伝子内の部位の大部分に影響を及ぼす可能性があるため、1つまたは少数の部位の局所編集と区別するために「パン編集」と呼ばれることもある。

パン編集は、挿入/削除ポイントの周囲の領域に相補的な配列を含むガイドRNA （gRNA）と編集されていない一次転写産物との塩基対合から始まります。新しく形成された二本鎖領域は、編集を触媒する大きな多タンパク質複合体であるエディトソームによって包まれます。 ^{[43] [44]}エディトソームは、最初の不一致ヌクレオチドで転写産物を開き、ウリジンの挿入を開始します。挿入されたウリジンはガイドRNAと塩基対合し、ガイドRNAにAまたはGが存在する限り挿入が継続し、CまたはUに遭遇すると停止します。^{[45] [46]}挿入されたヌクレオチドはフレームシフトを引き起こし、遺伝子とは異なる翻訳されたタンパク質をもたらします。

エディトソームのメカニズムは、ガイドRNAと編集されていない転写産物との間の不一致点でのエンドヌクレアーゼ切断を伴う。次のステップは、複合体中の酵素の1つである末端Uトランスフェラーゼによって触媒され、mRNAの3'末端にUTPからのUを付加する。 ^[47]開いた末端は、複合体中の他のタンパク質によって所定の位置に保持される。別の酵素であるU特異的エキソリボヌクレアーゼは、不対合のUを除去する。編集によってmRNAがgRNAと相補的になった後、RNAリガーゼが編集されたmRNA転写産物の末端を再結合する。^{[48] [49]}結果として、エディトソームは一次RNA転写産物に沿って3'から5'方向にのみ編集できる。複合体は一度に1つのガイドRNAにのみ作用できる。したがって、広範な編集を必要とするRNA転写産物には、複数のガイドRNAとエディトソームの複合体が必要になる。

この編集にはシチジンデアミナーゼが関与し、シチジン塩基を脱アミノ化してウリジン塩基にする。C-to-U編集の一例は、ヒトのアポリポタンパク質B遺伝子である。アポB100は肝臓で発現し、アポB48は腸で発現する。腸では、mRNAのCAA配列が終止コドンであるUAAに編集され、より短いB48形式となる。C-to-U編集は、顕花植物のミトコンドリアRNAでよく起こる。植物によってC-to-U編集の程度は異なる。例えば、コケ類のFunaria hygrometricaのミトコンドリアでは8回の編集イベントが発生するのに対し、ヒカゲノカズラ類のIsoetes engelmaniiでは1,700回を超える編集イベントが発生する。^[50] C-to-U編集は、ペンタトリコペプチドリピート（PPR）タンパク質ファミリーのメンバーによって実行される。被子植物には大きなPPRファミリーがあり、コンセンサス配列を欠くシス要素のトランス因子として機能します。アラビドプシスにはPPRファミリーに約450のメンバーがあります。プラスチドとミトコンドリアの両方でPPRタンパク質が多数発見されています。^[51]

アデノシンからイノシンへの（AからIへの）修飾は、RNAにおけるすべての編集イベントの約90%に寄与しています。アデノシンの脱アミノ化は、通常プレmRNAに作用する二本鎖RNA特異的アデノシンデアミナーゼ（ADAR）によって触媒されます。アデノシンからイノシンへの脱アミノ化は、dsRNAの塩基対を破壊して不安定化させるため、特定のdsRNAがRNAi経路を妨害するsiRNAを生成する能力が低下します。

ゆらぎ塩基対形成により、脱アミノ化RNAは独特だが異なった構造を持ち、これはRNA翻訳の開始段階の阻害に関係している可能性がある。研究により、I-RNA（IU塩基対の繰り返しが多いRNA）はヘテロクロマチンの形成に関与するメチラーゼをリクルートし、この化学修飾はmiRNAの標的部位に大きく干渉することが示されている。^[52] AからIへの修飾の重要性と、RNAの機能を変える修飾をRNAに加えるエピトランスクリプトミクスという新しい概念におけるその目的については、活発な研究がなされている。 ^{[53] [54]} mRNAにおけるAからIへの修飾の長年確立された結果は、IがGとして解釈され、したがって機能的なAからGへの置換、例えばリボソームによる遺伝暗号の解釈につながることである。しかし、最近の研究では、イノシンもリボソームによって（程度は低いものの）アデノシンやウラシルとして解読できることが示され、この相関関係は弱まっています。さらに、IはIに富むmRNA上でリボソームの停止につながることが示されました。^[55]

近年のハイスループットシーケンシングの発達により、RNAのさまざまな修飾や編集に関する広範なデータベースの開発が可能になりました。RADAR（AからIへのRNA編集の厳密な注釈付きデータベース）は、ヒト、マウス、ハエに存在するさまざまなAからIへの部位と組織特異的なレベルをカタログ化するために2013年に開発されました。データベースへの新しい部位と全体的な編集の追加が進行中です。^[56]フィラミンA転写産物などの特定の編集部位の編集レベルは組織特異的です。^[57] mRNAスプライシングの効率は、AからIへのRNA編集レベルを制御する主要な要因です。^{[58] [59]}興味深いことに、ADAR1とADAR2は、AからIへの編集能力とdsRNA結合能力の両方を介して選択的スプライシングにも影響します。^{[60] [61]}

代替的なUからCへのmRNA編集は、WT1（​​ウィルムス腫瘍-1）転写産物で初めて報告され、^[62]非古典的なGA mRNAの変化は、悪性および正常な大腸サンプルの両方でHNRNPK（異種核リボ核タンパク質K）転写産物で初めて観察されました。^{[63]後者の変化は、後に脳細胞の}TPH2（トリプトファンヒドロキシラーゼ2）転写産物における非古典的なUからCへの変化とともに見られました。 ^[64]逆アミノ化はUからCへの変化の最も単純な説明かもしれませんが、ミトコンドリア転写産物における植物のUからCへの編集イベントについては、アミノ基転移および糖転移機構が提案されています。^[65]最近の研究では、WT1転写産物の2つのホットスポットにおける新たなGからAへのmRNAの変化が報告され、このクラスの代替mRNA編集に関与する酵素としてAPOBEC3A（アポリポタンパク質B mRNA編集酵素、触媒ポリペプチド3A）が提案されました。^{[66]また、代替mRNAの変化は標準的なWT1}スプライシングバリアントと関連していることが示され、その機能的重要性が示唆されました。

これまでの研究で、植物のミトコンドリアとプラスチドで見られるRNA編集は、CからUへの変換とUからCへの変換（非常にまれ）のみであることが示されている。^{[67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76 ] [77 ] [78] [79]} RNA編集部位は主にmRNAのコーディング領域、イントロン、およびその他の非翻訳領域に見られる。^[69]実際、RNA編集はtRNA分子の機能を回復することができる。^{[71] [72]}編集部位は主にミトコンドリアまたはプラスチドRNAの上流に見られる。CからUへのRNA編集イベントの特定の位置はミトコンドリアとプラスチドの両方でかなりよく研究されているが、^[80]エディトソームを構成するすべてのタンパク質の正体と組織はまだ確立されていない。拡張性PPRタンパク質ファミリーのメンバーは、RNA配列認識のためのトランス作用因子として機能することが示されている。 ^[81] MORF（多器官RNA編集因子）ファミリーの特定のメンバーも、いくつかのサイトでの適切な編集に必要である。これらのMORFタンパク質のいくつかはPPRファミリーのメンバーと相互作用することが示されているため、MORFタンパク質はエディトソーム複合体の構成要素である可能性がある。^[82] RNA転写物のトランスまたは脱アミノ化を担う酵素は依然として不明であるが、PPRタンパク質がこの機能も果たしている可能性が提案されている。

RNA編集は、植物の翻訳と呼吸活動の正常な機能に不可欠です。編集により、tRNAの重要な塩基対配列が復元され、機能性が回復します。^[83]また、呼吸経路のポリペプチド複合体に組み込まれるRNA編集タンパク質の生成にも関連しています。したがって、編集されていないRNAから合成されたポリペプチドは適切に機能せず、ミトコンドリアとプラスチドの両方の活動を妨げる可能性が非常に高いです。

C-to-U RNA 編集では開始コドンと終止コドンを作成できますが、既存の開始コドンと終止コドンを破壊することはできません。コドン ACG が AUG に編集されると、隠れた開始コドンが作成されます。

ウイルス（麻疹、おたふく風邪、パラインフルエンザなど）、特にRNAゲノムを持つウイルスは、宿主細胞を乗っ取る際にさまざまな方法でRNA修飾を利用するように進化してきたことが示されています。ウイルスは、免疫回避からタンパク質翻訳の強化まで、感染サイクルのさまざまな部分でRNA修飾を利用することが知られています。^[27] RNA編集は、タンパク質バリアントの安定化と生成に使用されます。^{[84] [85]}ウイルスRNAは、ウイルスによってコード化されたRNA依存性RNAポリメラーゼによって転写されますが、これは特定のヌクレオチドの組み合わせで一時停止したり「途切れたり」する傾向があります。さらに、最大数百の非テンプレートAが、新生mRNAの3'末端にポリメラーゼによって追加されます。^[86]これらのAはmRNAを安定化するのに役立ちます。さらに、RNAポリメラーゼの一時停止とスタッターにより、翻訳コドンの上流に1つまたは2つのGまたはAが組み込まれる。^[86]テンプレート化されていないヌクレオチドの追加により、読み取りフレームがシフトし、異なるタンパク質が生成されます。

さらに、RNA修飾はウイルスに応じて複製と翻訳効率にプラスとマイナスの両方の影響を与えることが示されています。たとえば、Courtneyら^[12]は、HIV-1ウイルスのタンパク質翻訳を強化するために、感染した宿主細胞内のウイルスmRNAに5-メチルシトシンと呼ばれるRNA修飾が追加されることを示しました。ウイルスmRNAのm5C修飾を阻害すると、^ウイルスタンパク質の翻訳が大幅に減少しますが、興味深いことに、細胞内のウイルスmRNAの発現には影響しません。一方、Lichinchiら^[87]は、 ZIKV mRNAのN6-メチルアデノシン修飾がウイルスの複製を阻害することを示しました。

動物に見られるRNA編集システムは、モノヌクレオチド脱アミノ酵素から進化した可能性があり、apobec-1遺伝子とadar遺伝子を含むより大きな遺伝子ファミリーにつながっています。これらの遺伝子は、ヌクレオチド代謝に関与する細菌の脱アミノ酵素と密接な同一性を持っています。大腸菌のアデノシン脱アミノ酵素は、RNA内のヌクレオシドを脱アミノ化できません。酵素の反応ポケットが小さすぎてRNA鎖が結合できないためです。しかし、この活性部位は、対応するヒト類似遺伝子であるAPOBEC1とADARのアミノ酸変化によって広がり、脱アミノ化が可能になります。^{[88] [89]}トリパノソーマミトコンドリア でのgRNAを介したパンエディティングは、U残基のテンプレート挿入を伴い、完全に異なる生化学反応です。関与する酵素は、他の研究で、さまざまなソースからリクルートされ、適応されることが示されています。^{[43] [90]}しかし、gRNAとmRNAの相互作用によるヌクレオチド挿入の特異性は、動物やアカンサメーバのミトコンドリアにおけるtRNA編集プロセスに似ています。^[91]真核生物におけるガイドRNA分子によるrRNAのリボースメチル化は、同様の修飾形式です。^[92]

このように、RNA編集は複数回進化した。編集には適応的な根拠がいくつか提案されている。^[93]編集は、遺伝子配列の欠陥を補うための修正または修復のメカニズムとして説明されることが多い。しかし、gRNAを介した編集の場合、欠陥が最初に発生すると、元の遺伝子領域の複製によって発生すると思われるエラーのないgRNAエンコード領域を生成する方法がないため、この説明は不可能と思われる。このシステムの進化的起源のより妥当な代替案は、建設的中立進化によるものであり、ステップの順序が逆になり、編集の無償の能力が「欠陥」に先行する。^[94]

編集を指示して変異配列を修正することは、1995年に初めて提案され、実証されました。^[95] この最初の研究では、ジストロフィン配列の未成熟終止コドン変異に相補的な合成RNAアンチセンスオリゴヌクレオチドを使用して、モデルゼノプス細胞システムで終止コドンからリードスルーコドンへのAからIへの編集を活性化しました。^[95] これにより、近くの意図しないAからIへの遷移も発生しましたが、AからI（Gと読み取られる）への遷移は、3つの終止コドンすべてを修正できますが、終止コドンを作成することはできません。そのため、この変更により、下流のルシフェラーゼレポーター配列へのリードスルーを伴う標的終止コドンの25％を超える修正がもたらされました。Rosenthalによる後続の研究では、シチジンデアミナーゼにリンクされたオリゴヌクレオチドを指示して変異した嚢胞性線維症配列を修正することにより、哺乳類細胞培養における変異したmRNA配列の編集が達成されました。^[96] 最近では、デアミナーゼと融合したCRISPR-Cas13がmRNA編集を誘導するために使用されている。^[97]

2022年には、Cas7-11の治療用RNA編集が報告された。^{[98] [99]}これにより、十分に標的を絞った切断が可能になり、その初期バージョンは2021年にin vitro編集に使用された。 ^[100]

永続的なDNA編集とは異なり、RNA編集の影響（RNAの潜在的なオフターゲット変異を含む）は一時的であり、遺伝しません。そのため、RNA編集はリスクが低いと考えられています。さらに、体内に外来タンパク質を導入する代わりに、ヒトや他の多くの真核生物の細胞にすでに存在するADARタンパク質を使用することで、ガイドRNAのみが必要になる可能性があります。^[101]

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