Loading article…
RNA温度計（またはRNA温度センサー）は、遺伝子発現を制御する温度感受性の非コードRNA分子です。[1]そのユニークな特徴は、機能するためにタンパク質や代謝産物を必要とせず、温度変化にのみ反応することです。[2] RNA温度計は、熱ショックまたは低温ショック応答中に必要な遺伝子を制御することがよくありますが、病原性や飢餓などの他の制御役割にも関与していることが示唆されています。[1]
一般的に、RNA温度計は温度変動に応じて二次構造と三次構造を変化させることで機能します[3] 。この構造変化により、リボソーム結合部位などのRNAの重要な領域が露出したり閉塞したりすることがあり、それが近くのタンパク質コード遺伝子の翻訳速度に影響を与えます。
RNA温度計はリボスイッチとともに、 RNAワールド仮説を支持する例として用いられている。この理論は、RNAがかつて細胞内に存在する唯一の核酸であったが、現在のDNA → RNA → タンパク質システムに置き換えられたと提唱している。[4]
RNA温度計の例としては、FourU、[5]、Hsp90シス調節要素、[ 6]、 ROSE要素、[7]、 Lig RNA温度計、[8]、Hsp17温度計[9]などがあげられる。
発見
最初の温度感受性RNA要素は1989年に報告されました。[10]この研究の前に、ラムダ（λ）ファージcIII mRNAの転写開始部位の上流の変異がcIIIタンパク質の翻訳レベルに影響を及ぼすことが発見されました。[11]このタンパク質は、λファージの溶菌性または溶原性のライフサイクルの選択に関与しており、cIIIの高濃度は溶原性を促進します。[11]この上流RNA領域のさらなる研究により、2つの代替の二次構造が特定されました。実験的研究では、構造は互換性があり、マグネシウムイオン濃度と温度の両方に依存することがわかりました。[10] [12]このRNA温度計は現在、バクテリオファージが急速に複製して宿主細胞から逃れるために、熱ストレス下で溶菌サイクルに入ることを促進すると考えられています。[1]
「RNA温度計」という用語は、1999年に大腸菌で特定されたrpoH RNA要素に適用されて初めて使われました。 [ 13 ]最近では、バイオインフォマティクス検索によって、いくつかの新しいRNA温度計候補が発見されています。[15]しかし、要素の二次構造は核酸配列よりもはるかに保存されているため、従来の配列ベースの検索は非効率的です。[ 15]
生物学的反応と生物は、細胞機能のために温度に敏感です。RNA温度計は、細胞が変化を監視および感知して細胞を生存および安定に保つことができるため、温度に反応する効率的な方法です。DNA、RNA、またはタンパク質誘導メカニズムは、外部の変化を感知することで小さな変化を回避します[16]
細菌はRNA温度計を使って宿主に侵入し、宿主に付着して温度の変動を引き起こすことで宿主内で生存します。RNA温度計は遺伝子発現を翻訳レベルで制御するため、細菌は熱ショックや冷ショックの条件に対して素早く反応することができます。[16]
クラミドモナス・ラインハルティの葉緑体で発見された最初のRNA温度計は、psaA mRNAの5'-UTRに存在した。その機能は、存在しないと考えられていたため特に異なっており、低温時にはシャイン・ダルガルノ配列を保護するヘアピン型二次構造を持ち、温度が変化すると溶けてタンパク質生成を活性化する。[2] クラミドモナス・ラインハルティのRNA温度計研究は、光合成生物の葉緑体を遺伝子調節のために観察し、植物が外気温に慣れるのを助けるため、将来的には農業にどのように利用できるかを知るための入り口となっている。[2]
分布
最もよく知られているRNA温度計は、熱ショックタンパク質をコードするメッセンジャーRNAの5'非翻訳領域（UTR）に位置していますが、この事実は、サンプリングバイアスと、ゲノムデータ内の短く保存されていないRNA配列を検出することの本質的な困難さに部分的に起因している可能性が示唆されています。[17] [18]
主に原核生物に見られるが、RNA温度計の候補はヒトを含む哺乳類にも見つかっている。[19]候補となる温度センサー熱ショックRNA-1（HSR1）は、熱ショック転写因子1（HSF1）を活性化し、細胞温度が37℃（体温）を超えると保護タンパク質を誘導し、細胞の過熱を防ぐ。[19]
クラミドモナス・ラインハルティの葉緑体で発見された最初のRNA温度計は、psaA mRNAの5'-UTRに存在した。その機能は、存在しないと考えられていたため特に異なっていた。低温時にシャイン・ダルガルノ配列を保護するヘアピン型二次構造を持ち、温度が変化すると溶けてタンパク質生成を活性化する。[2]クラミドモナス・ラインハルティのRNA温度計研究は、光合成生物の葉緑体を遺伝子調節のために観察し、植物が外気温に慣れるのを助けるため、将来的に農業にどのように利用できるかを知るための入り口である。[2]
ROSE エレメントは、細菌の RNA 温度計クラスで、小さな熱ショックタンパク質を持つ遺伝子の活性化を制御します。環境の周囲の温度の上昇と並行して、中程度のレベルで融解します。約 42 °C の高温で完全に融解すると、シャイン・ダルガルノと AUG 開始コドンの放出に進みます。RNA 温度計は、一部の植物共生生物や病原体にも見られ、共生生物や病原体は RNA 温度計を使用して植物の遺伝子発現を制御します。[3]よく研究されている共生細菌は、根粒菌科です。根粒菌種の大多数では、ROSE エレメント (シス作用) が熱ショック遺伝子を制御しているのが目立ちました。[3]
構造
RNA温度計は構造が単純で、短いRNA配列から作ることができます。最小のものはわずか44ヌクレオチドで、シネコシスティス種PCC 6803の熱ショックタンパク質hsp17のmRNAに見られます。[9]一般的にこれらのRNA要素の長さは60〜110ヌクレオチドの範囲であり[21] 、通常はヘアピンを含み、少数のミスマッチ塩基対が構造の安定性を低下させ、温度上昇に応じて簡単に展開できるようにします。[17]
ROSE RNA温度計の詳細な構造解析により、ミスマッチ塩基は実際にはRNAのらせん構造を維持する非標準的な塩基対合に関与していることが明らかになりました（図を参照）。異常な塩基対はGG、UU、UC-Uのペアで構成されています。これらの非標準的な塩基対は比較的不安定であるため、温度が上昇するとこの領域のRNA構造が局所的に融解し、シャイン・ダルガルノ配列が露出します。[20]
いくつかのRNA温度計は単一のヘアピンよりもはるかに複雑であり、例えばCspA mRNAに見られる領域では擬似ノットと複数のヘアピンが含まれていると考えられています。 [22] [23]
合成RNA温度計は、単純な単一ヘアピン構造で設計されています。[24]しかし、このような短いRNA温度計の二次構造は変異に対して敏感であり、単一の塩基の変化が生体内でヘアピンを不活性にする可能性があるためです。[25]
機構
RNA 温度計は、タンパク質コード遺伝子の上流にあるメッセンジャー RNA の5′ UTRに存在します。 [1]ここで、RNA 温度計はリボソーム結合部位 (RBS) を塞ぎ、mRNA からタンパク質への翻訳を阻止します。[17]温度が上昇すると、ヘアピン構造が「溶けて」RBS またはShine-Dalgarno 配列が露出し、小さなリボソームサブユニット ( 30S )が結合して、他の翻訳機構が組み立てられます。[1]開始コドンは、通常 Shine-Dalgarno 配列の 8 ヌクレオチド下流に存在し、[17]タンパク質コード遺伝子の開始を知らせ、その後、リボソームによってペプチド産物に翻訳されます。このシス作用メカニズムに加えて、トランス作用RNA 温度計の唯一の例がRpoS mRNAに存在し、飢餓反応に関与していると考えられています。[1]
RNA温度計モチーフの具体例としては、サルモネラ・エンテリカに見られるFourU温度計がある。[5] 45℃以上の温度にさらされると、シャイン・ダルガルノ配列の反対側の塩基対を形成するステムループが不対になり、mRNAがリボソームに入り、翻訳が行われるようになる。[25] Mg 2+イオン濃度もFourUの安定性に影響を与えることが分かっている。[26]最もよく研究されているRNA温度計は、大腸菌のrpoH遺伝子に見られる。[27]この温度センサーは、特殊な熱ショックシグマ因子であるσ 32を介して、高温下で熱ショックタンパク質をアップレギュレーションする。[13]
RNA温度計は典型的には熱誘導性タンパク質発現と関連付けられるが、低温ショックタンパク質も制御することができる。[22]例えば、好熱性細菌Thermus thermophilusでは2つの7kDaタンパク質の発現がRNA温度計によって制御されており[28] 、同様のメカニズムがEnterobacterialesでも確認されている。[23]
37℃の温度に敏感なRNA温度計は、病原体が感染特異的遺伝子を活性化するために使用することができます。[17]例えば、リステリア菌の毒性遺伝子の重要な転写調節因子をコードするprfAの上方制御は、 prfAの5' DNAを緑色蛍光タンパク質遺伝子に融合することによって実証されました。その後、遺伝子融合は大腸菌のT7プロモーターから転写され、37℃では蛍光が観察されましたが、30℃では蛍光は観察されませんでした。[29]
RNAワールド仮説への影響
RNAワールド仮説は、RNAはかつて遺伝情報の運搬体であると同時に酵素活性を持ち、さまざまな配列が生体触媒、調節因子、センサーとして機能していたとしている。[30]この仮説では、現代のDNA、RNA、タンパク質ベースの生命が進化し、選択によってRNAの役割の大部分が他の生体分子に置き換えられたと提唱している。[4]
RNA温度計とリボスイッチは、遠縁の生物に広く分布していることから、進化的に古いものと考えられています。 [31] RNAワールドでは、RNA温度センサーが他のRNA分子の温度依存的な制御を担っていたのではないかと提案されています。[4] [32]現代の生物のRNA温度計は、RNAワールドで以前より広範囲に重要性があったことを示唆する分子化石である可能性があります。 [4]
その他の例
- Hsp90シス調節要素はショウジョウバエのhsp90を調節し、高温下での熱ショックタンパク質の翻訳速度を増加させる。[6]
- 大腸菌のibpABオペロンには、 ROSEエレメントとIbpB温度計という 2つの協同RNA温度計が含まれていると予測されている。[33]
- ROSE 1とROSE AT2はそれぞれ、地下菌 Bradyrhizobium japonicumとAgrobacterium tumefaciensに存在し、 HspA mRNAの5′ UTRに存在し、生理的温度で熱ショックタンパク質の翻訳を抑制します。[7] [34]
- シアノバクテリアRNA温度計
- インタージェニックRNA温度計
- ナイセリアRNA温度計
- Lig RNA温度計
参考文献
- ^ abcdefg Narberhaus F、Waldminghaus T、Chowdhury S (2006 年 1 月)。「RNA 温度計」。FEMS Microbiology Reviews。30 ( 1): 3–16。doi : 10.1111 /j.1574-6976.2005.004.x。PMID 16438677 。
- ^ abcde Raza A、Siddique KH、Hu Z（2024年2月）。「葉緑体遺伝子制御：光合成システムにおけるRNA温度計メカニズムの解明」。Trends in Plant Science。doi：10.1016/ j.tplants.2024.01.005。PMID 38311501 。
- ^ abc Thomas SE、Balcerowicz M、Chung BY (2022-08-17)。「RNA構造を介した体温調節：植物から何を学ぶことができるか？」Frontiers in Plant Science . 13 : 938570. doi : 10.3389/fpls.2022.938570 . PMC 9450479 . PMID 36092413。
- ^ abcd Atkins JF、Gesteland RF、Cech T (2006) 。RNAワールド：現代のRNAの性質はプレバイオティックRNAワールドを示唆している。プレインビュー、ニューヨーク：コールドスプリングハーバー研究所出版。ISBN 978-0-87969-739-6。
- ^ ab Waldminghaus T、Heidrich N、Brantl S、Narberhaus F (2007 年 7 月)。「 FourU : サルモネラにおける新しいタイプの RNA 温度計」。 分子微生物学。65 (2): 413–424。doi : 10.1111/ j.1365-2958.2007.05794.x。PMID 17630972。
- ^ ab Ahmed R、Duncan RF (2004 年 11 月)。「Hsp90 mRNA の翻訳制御。優先的な熱ショック翻訳に必須の AUG 近位 5' 非翻訳領域要素」。The Journal of Biological Chemistry。279 ( 48): 49919–49930。doi : 10.1074/ jbc.M404681200。PMID 15347681。
- ^ ab Nocker A, Hausherr T, Balsiger S, Krstulovic NP, Hennecke H, Narberhaus F (2001 年 12 月). 「mRNA ベースの温度センサーが根粒菌の熱ショック遺伝子の発現を制御する」. Nucleic Acids Research . 29 (23): 4800–4807. doi :10.1093/nar/29.23.4800. PMC 96696. PMID 11726689.
- ^ マツナガ J、シュラックス PJ、ハーケ DA (2013 年 11 月)。 「レプトスピラ インテロガンにおける多重接着性 lig タンパク質の温度依存性発現におけるシス作用性 RNA 配列の役割」。細菌学ジャーナル。195 (22): 5092–5101。土井：10.1128/jb.00663-13。PMC 3811586。PMID 24013626。
- ^ ab Kortmann J、Sczodrok S、Rinnenthal J、Schwalbe H 、 Narberhaus F (2011 年 4 月)。「シンプルな RNA ベースの温度センサーによるオンデマンド翻訳」。核酸 研究。39 ( 7 ): 2855–2868。doi :10.1093/nar/gkq1252。PMC 3074152。PMID 21131278。
- ^ ab Altuvia S、Kornitzer D、Teff D、Oppenheim AB (1989年11月)。「バクテリオファージラムダのcIII遺伝子の代替mRNA構造が翻訳開始速度を決定する」。Journal of Molecular Biology。210 ( 2): 265–280。doi :10.1016/0022-2836(89)90329- X。PMID 2532257 。
- ^ ab Altuvia S 、 Oppenheim AB (1986 年 7 月)。「バクテリオファージラムダ cIII 遺伝子のコーディング領域内の翻訳調節シグナル」。Journal of Bacteriology。167 ( 1): 415–419。doi : 10.1128 /jb.167.1.415-419.1986。PMC 212897。PMID 2941413。
- ^ Altuvia S、Kornitzer D、Kobi S 、 Oppenheim AB (1991年4月)。「バクテリオファージラムダのcIII遺伝子のmRNAの機能的および構造的要素」。Journal of Molecular Biology。218 ( 4): 723–733。doi : 10.1016 /0022-2836(91)90261-4。PMID 1827163 。
- ^ ab Storz G (1999年3月). 「RNA温度計」.遺伝子と発達. 13 (6): 633–636. doi : 10.1101/gad.13.6.633 . PMID 10090718.
- ^ Morita MT、Tanaka Y、Kodama TS、Kyogoku Y、Yanagi H、Yura T (1999年3 月) 。 「熱ショック転写因子シグマ32の翻訳誘導：RNA温度センサー内蔵の証拠」。遺伝子と発達。13 ( 6): 655–665。doi :10.1101/gad.13.6.655。PMC 316556。PMID 10090722。
- ^ ab Waldminghaus T、 Gaubig LC、 Narberhaus F (2007 年 11 月)。「ゲノムワイドバイオインフォマティクス予測と潜在的 RNA 温度計の実験的評価」。分子遺伝学とゲノミクス。278 (5): 555–564。doi : 10.1007 /s00438-007-0272-7。PMID 17647020。S2CID 24747327。
- ^ ab Sharma P、Mondal K、Kumar S、Tamang S、Najar IN、Das S、他。 (2022 年 10 月)。 「細菌の RNA 温度計: 体温調節における役割」。Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - 遺伝子調節機構。1865 (7): 194871. doi :10.1016/j.bbagrm.2022.194871。PMID 36041664。
- ^ abcde Narberhaus F (2010). 「温度感知mRNAによる細菌の熱ショックおよび毒性遺伝子の翻訳制御」. RNA Biology . 7 (1): 84–89. doi : 10.4161/rna.7.1.10501 . PMID 20009504.
- ^ Johansson J (2009). 「細菌病原体におけるRNA温度センサー」。細菌の感知とシグナル伝達。微生物学への貢献。第16巻。バーゼル：S. Karger AG。pp. 150–160。doi ： 10.1159/000219378。ISBN 978-3-8055-9132-4. PMID 19494584。
- ^ ab Shamovsky I、Ivannikov M、Kandel ES、Gershon D、Nudler E (2006 年 3 月)。「哺乳類細胞における熱ショックに対する RNA 介在応答」。Nature . 440 ( 7083 ) : 556–560。Bibcode :2006Natur.440..556S。doi :10.1038/nature04518。PMID 16554823。S2CID 4311262 。
- ^ ab チョードリー S、マリス C、アレイン FH、ナーバーハウス F (2006 年 6 月)。 「RNA温度計による温度感知の分子基盤」。EMBO ジャーナル。25 (11): 2487–2497。土井：10.1038/sj.emboj.7601128。PMC 1478195。PMID 16710302。
- ^ Waldminghaus T、Fippinger A、Alfsmann J、Narberhaus F (2005 年 12 月)。「RNA 温度計はアルファおよびガンマプロテオバクテリアでよく見られる」。生物化学。386 ( 12 ) : 1279–1286。doi : 10.1515 /BC.2005.145。PMID 16336122。S2CID 84557068。
- ^ ab Breaker RR (2010年1月). 「RNAは寒さの中でスイッチアウトする」. Molecular Cell . 37 (1): 1–2. doi :10.1016/j.molcel.2009.12.032. PMC 5315359. PMID 20129048 .
- ^ ab ジュリオドーリ AM、ディ ピエトロ F、マルツィ S、マスキダ B、ワーグナー R、ロンビー P、他。 （2010年1月）。 「cspA mRNA は、コールドショックタンパク質 CspA の翻訳を調節する温度センサーです。」分子細胞。37 (1): 21–33。土井：10.1016/j.molcel.2009.11.033。PMID 20129052。
- ^ Neupert J、Karcher D、 Bock R (2008 年 11 月)。「大腸菌での温度制御遺伝子発現のためのシンプルな合成 RNA 温度計の設計」。核酸研究。36 ( 19): e124。doi :10.1093/ nar /gkn545。PMC 2577334。PMID 18753148。
- ^ ab Nikolova EN 、 Al - Hashimi HM (2010年9月)。「RNA融解の熱力学 、1塩基対ずつ」。RNA。16 ( 9):1687–1691。doi :10.1261/rna.2235010。PMC 2924531。PMID 20660079。
- ^ Rinnenthal J、Klinkert B、Narberhaus F 、Schwalbe H (2011 年 10 月)。「サルモネラ 4U 型 RNA 温度計の安定性の調整」。核酸研究。39 (18): 8258–8270。doi : 10.1093/nar/gkr314。PMC 3185406。PMID 21727085 。
- ^ Shah P、Gilchrist MA (2010 年 7 月)。Spirin AS (編)。「RNA 温度計の熱感知特性はユニークか?」PLOS ONE . 5 (7): e11308. Bibcode :2010PLoSO...511308S. doi : 10.1371/journal.pone.0011308 . PMC 2896394 . PMID 20625392.
- ^ Mega R、Manzoku M、Shinkai A、Nakagawa N、Kuramitsu S、Masui R (2010 年 8 月)。「Thermus thermophilus における温度低下による低温ショックタンパク質の急速な誘導」。生化学および生物物理学的研究通信。399 (3): 336–340。doi :10.1016/ j.bbrc.2010.07.065。PMID 20655297 。
- ^ Johansson J、Mandin P、Renzoni A、Chiaruttini C、Springer M、Cossart P (2002年9月)。「RNA温度センサーがリステリア菌の毒性遺伝子の発現を制御する」。Cell . 110 (5): 551–561. doi : 10.1016/S0092-8674 ( 02)00905-4 . PMID 12230973。
- ^ Gilbert W (1986年2月). 「RNAワールド」. Nature . 319 (6055): 618. Bibcode :1986Natur.319..618G. doi : 10.1038/319618a0 .
- ^ Serganov A、Patel DJ (2007 年 10 月)。「リボザイム、 リボスイッチ、そしてその先: タンパク質を使わない遺伝子発現の調節」。Nature Reviews。遺伝学。8 (10): 776–790。doi :10.1038/nrg2172。PMC 4689321。PMID 17846637。
- ^ Bocobza SE、Aharoni A (2008 年 10 月)。「植物リボスイッチの光の切り替え」。Trends in Plant Science。13 ( 10): 526–533。doi :10.1016/ j.tplants.2008.07.004。PMID 18778966 。
- ^ Gaubig LC、Waldminghaus T、Narberhaus F (2011 年 1 月)。「多重制御層が Escherichia coli ibpAB 熱ショックオペロンの発現を制御する」。Microbiology . 157 ( Pt 1): 66–76. doi : 10.1099/mic.0.043802-0 . PMID 20864473。
- ^ Balsiger S、Ragaz C、Baron C 、 Narberhaus F (2004 年 10 月)。「Agrobacterium tumefaciens における小型熱ショック遺伝子のレプリコン特異的制御」。Journal of Bacteriology。186 (20): 6824–6829。doi : 10.1128 / JB.186.20.6824-6829.2004。PMC 522190。PMID 15466035。