リボスイッチ

分子生物学において、リボスイッチはメッセンジャーRNA分子の調節セグメントであり、小分子に結合して、 mRNAによってコードされるタンパク質の産生を変化させます。 ^{[1] [2] [3] [4]したがって、リボスイッチを含むmRNAは、その}エフェクター分子 の濃度に応じて、自身の活動の調節に直接関与しています。現代の生物がRNAを使用して小分子に結合し、近縁の類似体を識別するという発見により、RNAの既知の自然な能力は、タンパク質をコード化したり、反応を触媒したり、他のRNAやタンパク質高分子を結合したりする能力を超えて拡張されました。

「リボスイッチ」という用語の元々の定義は、小分子代謝物の濃度を直接感知するものとされていました。^{[5]この定義は今でも一般的に使用されていますが、一部の生物学者は、他の}シス調節RNAを 含むより広い定義を使用しています。ただし、この記事では代謝物結合リボスイッチについてのみ説明します。

既知のリボスイッチのほとんどは細菌に存在しますが、ある種の機能的なリボスイッチ（TPPリボスイッチ）は古細菌、植物、特定の真菌で発見されています。TPPリボスイッチは古細菌でも予測されていますが、^[6]実験的に検証されていません。

リボスイッチが発見される前は、複数の代謝経路に関与する遺伝子が制御されるメカニズムは謎に包まれていた。蓄積された証拠は、関与するmRNAが代謝物に直接結合して、代謝物自体の制御に影響を与えるという、当時としては前例のない考えをますます示唆するようになった。これらのデータには、関連遺伝子の非翻訳領域（UTR）によく見られる保存されたRNA二次構造や、アプタマーと呼ばれる人工の小分子結合RNAを作成する手順の成功が含まれていた。^{[7] [8] [9] [10] [11]} 2002年には、タンパク質を含まない結合アッセイを含む複数のクラスのリボスイッチの最初の包括的な証明が公開され、代謝物結合リボスイッチが遺伝子制御の新しいメカニズムとして確立された。^{[5] [12] [13] [14]}

最も初期に発見されたリボスイッチの多くは、構造化されたRNAに対応すると思われる5' UTRの保存された配列「モチーフ」（パターン）に対応していました。たとえば、共調節されると予想されるいくつかの遺伝子の上流領域の比較分析により、Sボックス^[15]（現在はSAM-Iリボスイッチ）、THIボックス^[9]（TPPリボスイッチ内の領域）、RFN要素^[8]（現在はFMNリボスイッチ）、およびB12_ボックス[ ^16]（コバラミンリボスイッチの一部）が説明され、いくつかのケースでは、これらが未知のメカニズムを介して遺伝子調節に関与していることが実験的に実証されました。 バイオインフォマティクスは、基本的な比較ゲノミクス戦略の自動化が進むにつれて、最近の発見にも役割を果たしています。Barrickら（2004）^[17]は、BLASTを使用して、 Bacillus subtilisのすべてのUTRと相同なUTRを見つけました。これらの相同セットのいくつかは保存構造について検査され、10個のRNA様モチーフが得られた。これらのうち3つは後に実験的にglmS、グリシン、およびPreQ1-Iリボスイッチであることが確認された（下記参照）。その後、細菌のさらなる分類群と改良されたコンピュータアルゴリズムを使用した比較ゲノム研究により、実験的に確認されたさらなるリボスイッチと、リボスイッチとして機能すると仮定される保存されたRNA構造が特定された。^{[18] [19] [20]}

リボスイッチは、概念的にはアプタマーと発現プラットフォームの 2 つの部分に分けられることが多いです。アプタマーは小分子に直接結合し、発現プラットフォームはアプタマーの変化に応じて構造変化を起こします。発現プラットフォームは遺伝子発現を調節するものです。

発現プラットフォームは通常、小分子に反応して遺伝子発現をオフにしますが、オンにするものもあります。以下のリボスイッチのメカニズムは実験的に実証されています。

• リボスイッチ制御によるrho 非依存性転写終結ヘアピンの形成は、早期転写終結につながります。
• リボスイッチを介したフォールディングはリボソーム結合部位を隔離し、それによって翻訳を阻害します。
• リボスイッチは、十分な濃度の代謝物が存在すると自らを切断するリボザイムです。
• リボスイッチの代替構造は、pre-mRNA の スプライシングに影響します。
  • Neurospora crassa（真菌）のTPPリボスイッチは、選択的スプライシングを制御して条件付きで上流オープンリーディングフレーム（uORF）を生成し、それによって下流遺伝子の発現に影響を与える^[21]
  • 植物のTPPリボスイッチはスプライシングと代替3'末端プロセシングを変更する^{[22] [23]}
• クロストリジウム・アセトブチリカムのリボスイッチは、同じmRNA転写の一部ではない隣接遺伝子を制御します。この制御では、リボスイッチが遺伝子の転写を妨害します。そのメカニズムは不明ですが、2つのRNAポリメラーゼユニットが同じDNAを同時に転写する際に衝突が起こることが原因である可能性があります。^[24]
• リステリア モノサイトゲネスのリボスイッチは、下流遺伝子の発現を制御します。しかし、リボスイッチの転写は、その後、ゲノム内の他の場所にある遺伝子の発現を調節します。^[25] このトランス制御は、末端遺伝子の mRNA への塩基対形成によって起こります。細菌の温度が上昇すると、リボスイッチが溶けて転写が可能になります。未発表の学部生の研究では、リステリア モノサイトゲネス配列のランダム変異誘発によって、同様のリボスイッチまたは「温度センサー」が作成されました。^[26]

以下は、リガンド別に整理された、実験的に検証されたリボスイッチのリストです。

• コバラミン リボスイッチ( B ₁₂要素とも呼ばれる) は、アデノシルコバラミン(ビタミン B ₁₂の補酵素型) またはアクアコバラミンに結合して、コバラミンの生合成、コバラミンおよび類似の代謝物の輸送、およびその他の遺伝子を制御します。
• 環状 AMP-GMP リボスイッチはシグナル分子環状 AMP-GMP に結合します。これらのリボスイッチは構造的に環状ジ GMP-I リボスイッチに関連しています(下記の「環状ジ GMP」も参照)。
• 環状ジAMPリボスイッチ（ ydaO/yuaAとも呼ばれる）はシグナル分子である環状ジAMPに結合します。
• 環状ジGMPリボスイッチは、シグナル分子である環状ジGMPに結合し、このセカンドメッセンジャーによって制御されるさまざまな遺伝子を制御します。環状ジGMPリボスイッチには、環状ジGMP-Iリボスイッチと環状ジGMP-IIリボスイッチの2つのクラスが知られています。これらのクラスは構造的に関連していないようです。
• フッ化物リボスイッチはフッ化物イオンを感知し、高濃度のフッ化物に耐えられるように機能します。
• FMN リボスイッチ( RFN エレメントとも呼ばれる)は、フラビンモノヌクレオチド(FMN) に結合して、リボフラビンの 生合成と輸送を制御します。
• glmS リボスイッチは、グルコサミン-6-リン酸の濃度が十分にある場合に自らを切断するリボザイムです。
• グルタミンリボスイッチはグルタミンと結合して、グルタミンと窒素の代謝に関与する遺伝子、および機能が不明な短いペプチドを制御します。グルタミンリボスイッチには、glnA RNA モチーフと下流ペプチドモチーフの 2 つのクラスが知られています。これらのクラスは構造的に関連していると考えられています (これらの記事の議論を参照)。
• グリシンリボスイッチはグリシンに結合してグリシン代謝遺伝子を制御し、グリシンをエネルギー源として使用する。2012年以前は、このリボスイッチは連続したデュアルアプタマーを含んでいるため、協調結合を示す唯一のリボスイッチであると考えられていた。もはや協調的ではないことが示されてきているが、デュアルアプタマーの原因は依然として不明である。 ^[27]
• リジンリボスイッチ（ L ボックスとも呼ばれる）はリジンに結合し、リジンの生合成、異化、輸送を制御します。
• マンガンリボスイッチはマンガン イオンを結合します。
• NiCo リボスイッチは金属イオンのニッケルとコバルトを結合します。
• PreQ1 リボスイッチはプレキューオシン_{1に結合し、この前駆体の}キューオシンへの合成または輸送に関与する遺伝子を制御します。PreQ1 リボスイッチには、 PreQ1-I リボスイッチ、PreQ1-II リボスイッチ、およびPreQ1-III リボスイッチという 3 つの完全に異なるクラスが知られています。PreQ1-I リボスイッチの結合ドメインは、天然に存在するリボスイッチの中では異常に小さいです。Streptococcus属とLactococcus属の特定の種にのみ見られる PreQ1-II リボスイッチは、PreQ1-III リボスイッチと同様に完全に異なる構造を持ち、より大きくなっています。
• プリンリボスイッチはプリンに結合してプリンの代謝と輸送を制御します。プリンリボスイッチの異なる形態は、グアニン（元々はG ボックスとして知られていた形態）またはアデニンに結合します。グアニンまたはアデニンのいずれかに対する特異性は、リボスイッチの位置 Y74 にある単一のピリミジンとのワトソン-クリック相互作用に完全に依存します。グアニンリボスイッチでは、この残基は常にシトシン（つまり C74）であり、アデニン残基では常にウラシル（つまり U74）です。相同タイプのプリンリボスイッチはデオキシグアノシンに結合しますが、単一のヌクレオチド変異よりも大きな違いがあります。
• SAH リボスイッチはS-アデノシルホモシステインに結合し、メチル化反応でS-アデノシルメチオニンが使用されるときに生成されるこの代謝物のリサイクルに関与する遺伝子を制御します。
• SAM リボスイッチはS-アデノシルメチオニン(SAM)に結合して、メチオニンと SAM の生合成と輸送を制御します。SAM -I (元々はS ボックスと呼ばれていました)、SAM-II、およびS _MKボックス リボスイッチの 3 つの異なる SAM リボスイッチが知られています。SAM-I は細菌に広く存在しますが、SAM-II はアルファプロテオバクテリア、ベータプロテオバクテリア、および少数のガンマプロテオバクテリアにのみ存在します。S _MKボックス リボスイッチは乳酸菌目にのみ存在します。これらの 3 種類のリボスイッチには、配列や構造の点で明らかな類似点はありません。4 つ目の種類であるSAM-IV リボスイッチは、SAM-I リボスイッチと同様のリガンド結合コアを持つようですが、異なるスキャフォールドのコンテキストにあります。
• SAM-SAH リボスイッチは、 SAM と SAH の両方に同様の親和性で結合します。これらは常にメチオニンアデノシルトランスフェラーゼをコードする遺伝子を制御する位置にあるため、SAM への結合のみが生理学的に関連すると提案されました。
• テトラヒドロ葉酸リボスイッチはテトラヒドロ葉酸に結合して遺伝子の合成と輸送を制御します。
• TPPリボスイッチ（THIボックスとも呼ばれる）はチアミンピロリン酸（TPP）に結合してチアミンの生合成と輸送、および類似の代謝物の輸送を制御します。これはこれまでに真核生物で発見された唯一のリボスイッチです。 ^[28]
• ZMP/ZTP リボスイッチは、 10-ホルミルテトラヒドロ葉酸のレベルが低い場合に、新規プリン代謝の副産物である ZMP と ZTP を感知します。

推定されるリボスイッチ:

• Moco RNA モチーフはモリブデン補酵素に結合し、この補酵素の生合成と輸送に関与する遺伝子、およびモリブデン補酵素またはその誘導体を補酵素として使用する酵素を制御すると考えられています。

候補となる代謝物結合リボスイッチはバイオインフォマティクスを使用して特定されており、中程度に複雑な二次構造といくつかの高度に保存されたヌクレオチド位置を持っています。これらの特徴は、小分子に特異的に結合するリボスイッチの典型的な特徴です。リボスイッチ候補はまた、タンパク質コード遺伝子の 5' UTR に一貫して位置しており、これらの遺伝子は代謝物結合を示唆しています。これらは、ほとんどの既知のリボスイッチの特徴でもあるからです。前述の基準と非常に一致する仮説上のリボスイッチ候補は次のとおりです：crcB RNA モチーフ、manA RNA モチーフ、pfl RNA モチーフ、ydaO/yuaA リーダー、yjdF RNA モチーフ、ykkC-yxkD リーダー（および関連する ykkC-III RNA モチーフ）、およびyybP-ykoY リーダー。これらの仮説上のリボスイッチの機能は不明のままです。

リボスイッチは、in-silicoアプローチを用いて研究されてきた。^{[29] [30] [31]}特に、リボスイッチ予測のソリューションは、2つの大きなカテゴリーに分けることができます。

• リボスイッチ遺伝子ファインダー、すなわちゲノム検査によってリボスイッチを発見することを目的としたシステムで、主にモチーフ検索メカニズムに基づいています。このグループには、 Rfamデータベースの創設コンポーネントであるInfernal ^{[32]や、RibEx [33]やRiboSW [34]}などのより具体的なツールが含まれます。
• コンフォメーションスイッチ予測子、すなわち、paRNAss、 ^[35]、 RNAshapes ^[36]、RNAbor ^[37]などの代替構造の構造分類に基づく方法。さらに、ON/OFF構造予測のためのファミリー固有のアプローチも提案されている。^[38]

SwiSpotツール^[39]は、リボスイッチの存在を評価するためにコンフォメーション予測を使用するため、両方のグループをカバーしています。

リボスイッチは、天然のRNAが小分子に特異的に結合できることを実証している。この能力は、これまで多くの人がタンパク質や人工的に構築されたアプタマーと呼ばれるRNAの領域であると信じていた。したがって、生命のあらゆる領域にリボスイッチが存在することは、生命はもともとRNAのみを使用して存在し、タンパク質は後から登場したとするRNAワールド仮説をある程度裏付けるものである。この仮説では、タンパク質によって実行されるすべての重要な機能（小分子結合を含む）がRNAによって実行できることが求められる。一部のリボスイッチは古代の調節システム、または結合ドメインが保存されているRNAワールドリボザイムの残骸である可能性さえ示唆されている。 ^{[13] [18] [40]}

リボスイッチは、新しい抗生物質の標的となる可能性があります。実際、数十年間作用機序が不明だった抗生物質の中には、リボスイッチを標的として作用することが示されています。^[41] たとえば、抗生物質ピリチアミンが細胞内に入ると、ピリチアミンピロリン酸に代謝されます。ピリチアミンピロリン酸はTPPリボスイッチに結合して活性化し、細胞がTPPの合成と輸入を停止することが示されている。ピリチアミンピロリン酸は補酵素としてTPPの代わりにならないため、細胞は死滅します。

リボスイッチは天然生物における遺伝子発現を制御する効果的な方法であるため、遺伝子治療 などの産業および医療用途向けに人工リボスイッチを設計することに関心が寄せられている^{[42] [43] [44] [45]}。^{[46] [47]}

• RNA 温度計- 温度の変動に応じて構造を変化させ、リボソーム結合部位を露出させたり閉塞したりする mRNA 調節セグメントの別のクラス。

• Ferré-D'Amaré, Adrian R.; Winkler, Wade C. (2011). 「第 5 章 リボスイッチによる制御における金属イオンの役割」 Astrid Sigel、Helmut Sigel、Roland KO Sigel (編)。RNAにおける金属イオンの構造的および触媒的役割。生命科学における金属イオン。第 9 巻。ケンブリッジ、英国: RSC 出版。pp. 141–173。doi :10.1039/ 9781849732512-00141。ISBN 978-1-84973-094-5. PMC  3454353 . PMID  22010271.