エクソソーム複合体

エクソソーム複合体（またはPM/Scl 複合体、単にエクソソームと呼ばれることが多い）は、さまざまな種類のRNA（リボ核酸）分子を分解できる多タンパク質細胞内複合体です。エクソソーム複合体は真核細胞と古細菌の両方に見られますが、細菌ではデグラドソームと呼ばれるより単純な複合体が同様の機能を果たします。

エクソソームのコアには、他のタンパク質が結合した6員環構造が含まれています。真核細胞では、エクソソーム複合体は細胞質、核、特に核小体に存在しますが、これらの区画ではさまざまなタンパク質がエクソソーム複合体と相互作用し、これらの細胞区画に特有の基質に対する複合体のRNA分解活性を制御します。エクソソームの基質には、メッセンジャーRNA、リボソームRNA、および多くの種類の小さなRNAが含まれます。エクソソームにはエキソリボ核酸分解機能があり、つまりRNAを一方の端（この場合は3'端）から分解します。また、真核生物ではエンドリボ核酸分解機能もあり、つまりRNAを分子内の部位で切断します。

エキソソーム内のいくつかのタンパク質は、特定の自己免疫疾患（特にPM/Sclオーバーラップ症候群）の患者における自己抗体の標的であり、癌に対するいくつかの抗代謝化学療法は、エクソソームの活性を阻害することによって機能します。さらに、エクソソーム成分3の変異は、橋小脳低形成および脊髄運動ニューロン疾患を引き起こします。

エクソソームは、1997年に、よく使われるモデル生物である出芽酵母サッカロミセス・セレビシエでRNaseとして初めて発見されました。^[1]それから間もなく、1999年に、エクソソームは、数年前に特定の自己免疫疾患の患者の自己抗原として特定されていたPM/Scl複合体と呼ばれる、ヒト細胞ですでに説明されている複合体の酵母相当物であることが判明しました（下記参照）。^[2]この「PM/Scl複合体」の精製により、より多くのヒトエクソソームタンパク質を特定し、最終的には複合体のすべての成分を特徴付けることができました。^{[3] [4] 2001年には、利用できるようになった}ゲノムデータの増加により、古細菌のエキソソームタンパク質を予測できるようになりましたが、古細菌からの最初のエキソソーム複合体が精製されるまでにはさらに2年かかりました。^{[5] [6]}

複合体の核は、すべて同じクラスのRNase、RNase PH様タンパク質に属する6つのタンパク質からなるリング構造を持っています。^[7]古細菌には2つの異なるPH様タンパク質（Rrp41とRrp42と呼ばれる）があり、それぞれが交互に3回存在します。真核生物のエクソソーム複合体には、リング構造を形成する6つの異なるタンパク質があります。^{[8] [9]}これらの6つの真核生物タンパク質のうち、3つは古細菌のRrp41タンパク質に似ており、他の3つのタンパク質は古細菌のRrp42タンパク質に似ています。^[10]

このリングの上部には、S1 RNA結合ドメイン（RBD）を持つ3つのタンパク質があります。さらに2つのタンパク質はK相同性（KH）ドメインを持っています。^[7]真核生物では、3つの異なる「S1」タンパク質がリングに結合していますが、古細菌では、1つまたは2つの異なる「S1」タンパク質がエクソソームの一部になることがあります（ただし、複合体には常に3つのS1サブユニットが結合しています）。^[11]

このリング構造は、タンパク質RNase PHおよびPNPaseのものと非常によく似ています。細菌では、tRNA の処理に関与するタンパク質 RNase PH は、6 つの同一の RNase PH タンパク質からなる六量体リングを形成します。^{[12] [13]}細菌や一部の真核生物の葉緑体およびミトコンドリア に見られるリン酸分解性 RNA 分解タンパク質である PNPase の場合、2 つの RNase PH ドメインと S1 および KH RNA 結合ドメインの両方が単一のタンパク質の一部であり、エクソソームとほぼ同じ構造をとる三量体複合体を形成します。^[14]タンパク質ドメインと構造の両方のこの高い類似性から、これらの複合体は進化的に関連しており、共通の祖先を持つと考えられています。^[15] RNase PH様エクソソームタンパク質、PNPase、RNase PHはすべてRNase PHファミリーに属し、リン酸分解性エキソリボヌクレアーゼであり、無機リン酸を使用してRNA分子の3'末端からヌクレオチドを除去します。^[7]

これら 9 つのコア エキソソーム タンパク質の他に、真核生物の複合体には他の 2 つのタンパク質がしばしば関連しています。これらのうちの1つがRrp44で、これは加水分解RNaseで、RNase Rファミリーの加水分解エキソリボヌクレアーゼ（水を使用してヌクレオチド結合を切断するヌクレアーゼ）に属しています。エキソリボヌクレアーゼであることに加えて、Rrp44はエンドリボヌクレアーゼ活性も持ち、これはタンパク質の別のドメインに存在します。^{[16] [17]}酵母では、Rrp44はすべてのエクソソーム複合体に関連しており、酵母エクソソーム複合体の活性に重要な役割を果たしています。^[18]このタンパク質のヒトホモログは存在しますが、そのヒトホモログがヒトエクソソーム複合体に関連しているという証拠は長い間見つかっていませんでした。^[7]しかし、2010年に、ヒトには3つのRrp44ホモログがあり、そのうち2つがエクソソーム複合体に関連していることが発見されました。これら2つのタンパク質は細胞内での局在が異なるため、おそらく異なるRNA基質を分解すると考えられます。一方は細胞質（DIS3L1）に局在し、もう一方は核（DIS3）に局在します。^{[19] [20]}

2番目によく見られる関連タンパク質は、Rrp6（酵母）またはPM/Scl-100（ヒト）と呼ばれます。Rrp44と同様に、このタンパク質は加水分解エキソリボヌクレアーゼですが、この場合はRNase Dタンパク質ファミリーです。^[21] PM/Scl-100タンパク質は、細胞核内のエキソソーム複合体の一部であることが最も一般的ですが、細胞質エキソソーム複合体の一部を形成することもできます。^[22]

これら 2 つの密に結合したタンパク質サブユニット以外にも、多くのタンパク質が細胞の細胞質と核の両方でエクソソーム複合体と相互作用します。これらの緩く結合したタンパク質は、エクソソーム複合体の活性と特異性を制御する可能性があります。細胞質では、エクソソームはAU リッチエレメント(ARE) 結合タンパク質 (例: KRSP および TTP) と相互作用し、mRNA の分解を促進または防止します。核エクソソームは、特定の基質の処理に必要な RNA 結合タンパク質 (例: ヒト/酵母の MPP6/Mpp6 および C1D/Rrp47) と結合します。^[7]

単一タンパク質に加えて、他のタンパク質複合体もエクソソームと相互作用します。その1つは細胞質Ski複合体で、RNAヘリカーゼ（Ski2）を含み、mRNAの分解に関与しています。^[23]核内では、エクソソームによるrRNAとsnoRNAの処理は、RNAヘリカーゼ（Mtr4）とポリアデニル化（Trf4）活性の両方を含むTRAMP複合体によって媒介されます。^[24]

上で述べたように、エクソソーム複合体にはリボヌクレアーゼドメインを持つ多くのタンパク質が含まれています。これらのリボヌクレアーゼドメインの正確な性質は、細菌から古細菌、真核生物の複合体への進化を通じて、さまざまな活性が得られたり失われたりしたため変化しています。エクソソームは主に3'-5'エキソリボヌクレアーゼであり、RNA分子を3'末端から分解します。エクソソーム複合体に含まれるエキソリボヌクレアーゼは、リン酸分解性（RNase PH様タンパク質）か、真核生物では加水分解性（RNase RおよびRNase Dドメインタンパク質）のいずれかです。リン酸分解酵素は、無機リン酸を使用してリン酸ジエステル結合を切断し、ヌクレオチド二リン酸を放出します。加水分解酵素は水を使用してこれらの結合を加水分解し、ヌクレオチド一リン酸を放出します。

古細菌では、複合体のRrp41サブユニットはリン酸分解性エキソリボヌクレアーゼである。このタンパク質はリング内に3つ存在し、複合体の活性を担っている。^[9]真核生物では、RNase PHサブユニットのいずれもこの触媒活性を保持していないため、ヒトエクソソームのコアリング構造には酵素活性タンパク質がない。^[25]この触媒活性の喪失にもかかわらず、コアエクソソームの構造は古細菌からヒトまで高度に保存されており、複合体が重要な細胞機能を果たしていることを示唆している。真核生物では、リン酸分解活性の欠如は加水分解酵素の存在によって補われ、このような生物のエクソソームのリボヌクレアーゼ活性を担っている。^{[26] [27] [28]}

前述のように、加水分解タンパク質Rrp6とRrp44は酵母とヒトのエクソソームに関連し、Rrp6の他に、2つの異なるタンパク質、Dis3とDis3L1が酵母Rrp44タンパク質の位置に関連している可能性がある。^{[19] [20]}もともとS1ドメインタンパク質は3'-5'加水分解エキソリボヌクレアーゼ活性も有すると考えられていたが、この活性の存在は最近疑問視されており、これらのタンパク質は複合体による分解の前に基質に結合する役割のみを担っている可能性がある。^[26]

エキソソームは、多種多様なRNA種の分解と処理に関与している。細胞の細胞質では、メッセンジャーRNA（mRNA）分子のターンオーバーに関与している。複合体は、ナンセンス媒介分解またはノンストップ分解経路のタンパク質との相互作用を通じて、エラーが含まれているために分解対象としてタグ付けされたmRNA分子を分解することができる。別の方法として、mRNAは通常のターンオーバーの一環として分解される。mRNAの3'非翻訳領域にあるAUに富む要素に結合してmRNA分子を安定化または不安定化するいくつかのタンパク質が、エクソソーム複合体と相互作用する。^{[29] [30] [31]}核内では、エクソソームはいくつかの小さな核RNA分子を正しく処理するために必要である。^[32]最後に、核小体はエクソソーム複合体の大部分が存在する区画である。そこでは、5.8SリボソームRNA（エクソソームの最初の機能）といくつかの小さな核小体RNAの処理に役割を果たしています。^{[1] [32] [33]}

ほとんどの細胞には、 RNAの3'末端または5'末端からRNAを分解できる他の酵素がありますが、エクソソーム複合体は細胞の生存に不可欠です。エクソソームタンパク質の発現がRNA干渉などによって人工的に減少または停止されると、成長が停止し、細胞は最終的に死滅します。エクソソーム複合体のコアタンパク質と2つの主要な関連タンパク質は、必須タンパク質です。^[34] 細菌にはエクソソーム複合体はありませんが、同様の機能が、デグラドソームと呼ばれるタンパク質PNPaseを含むより単純な複合体によって実行されます。^[35]

エクソソームは細胞RNAの品質管理において重要な複合体である。原核生物とは異なり、真核生物は、核から出る前に未処理または誤って処理されたRNA-タンパク質複合体（リボソームなど）を認識する非常に活発なRNA監視システムを持っている。このシステムは、異常な複合体がタンパク質合成などの重要な細胞プロセスを妨害するのを防ぐと考えられている。^[36]

エキソソームは、RNAの処理、代謝、監視活動に加えて、酵母ゲノム内の何千もの遺伝子座から生成される、いわゆる潜在的不安定転写産物（CUT）の分解にも重要です。 ^{[37] [38]}これらの不安定RNAの重要性とその分解はまだ不明ですが、同様のRNA種がヒト細胞でも検出されています。^[39]

エクソソーム複合体は、様々な自己免疫疾患の患者における自己抗体の標的である。これらの自己抗体は主に、強皮症と多発性筋炎または皮膚筋炎のいずれかの症状を呈する自己免疫疾患であるPM/Sclオーバーラップ症候群の患者に見られる。^{[40]自己抗体は、様々なアッセイによって患者の}血清中に検出することができる。過去には、子牛胸腺抽出物を用いた二重免疫拡散法、 HEp-2細胞に対する免疫蛍光法、またはヒト細胞抽出物からの免疫沈降法が最も一般的に使用されていた。抗エクソソーム陽性血清を用いた免疫沈降アッセイでは、特徴的なタンパク質セットが沈殿する。エクソソーム複合体が特定される何年も前から、このパターンはPM/Scl複合体と呼ばれていた。^[41]これらの患者の血清を用いた免疫蛍光法では、通常、細胞の核小体の典型的な染色が見られ、自己抗体によって認識される抗原がリボソーム合成に重要である可能性が示唆されました。^[42]最近では、組み換えエクソソームタンパク質が利用可能になり、これらを使用して、これらの抗体を検出するためのライン免疫測定法（LIA）と酵素結合免疫吸着測定法（ELISA）が開発されました。^[7]

これらの疾患では、抗体は主に複合体の2つのタンパク質、PM/Scl-100（RNase D様タンパク質）とPM/Scl-75（リングのRNase PH様タンパク質の1つ）を標的としており、これらのタンパク質を認識する抗体はPM/Sclオーバーラップ症候群の患者の約30％に見られます。^[43]これら2つのタンパク質が自己抗体の主な標的ですが、他のエクソソームサブユニットや関連タンパク質（C1Dなど）もこれらの患者の標的となる可能性があります。^{[44] [45]}現時点では、これらの抗体を検出する最も感度の高い方法は、完全なタンパク質の代わりに、PM/Scl-100タンパク質に由来するペプチドをELISAの抗原として使用することです。この方法では、PM/Sclオーバーラップ症候群の患者の最大55％に自己抗体が見られますが、強皮症、多発性筋炎、または皮膚筋炎のいずれか単独の患者でも検出されます。^[46]

自己抗体は主にいくつかの異なる自己免疫疾患の特徴を持つ患者に見られるため、これらの患者の臨床症状は多岐にわたります。最もよく見られる症状は、個々の自己免疫疾患の典型的な症状であり、レイノー現象、関節炎、筋炎、強皮症などが含まれます。^{[47]これらの患者の治療は対症療法であり、個々の自己免疫疾患の治療と同様であり、}免疫抑制薬または免疫調節薬のいずれかが使用されることが多いです。 ^[48]

エクソソームは、癌の化学療法に用いられる薬剤である抗代謝物質 フルオロウラシルによって阻害されることが示されています。フルオロウラシルは固形腫瘍の治療に最も効果のある薬剤の1つです。フルオロウラシルで処理された酵母細胞では、分子生物学的戦略によってエクソソームの活動が阻害されたときに見られるのと同じ欠陥がリボソームRNAの処理に見られました。リボソームRNAの正しい処理の欠如は細胞にとって致命的であり、薬剤の抗代謝効果を説明しています。^[49]

エキソソーム成分3の変異は、乳児脊髄運動ニューロン疾患、小脳萎縮、進行性小頭症、および重度の全般的発達遅延を引き起こし、橋小脳低形成症1B型（PCH1B; MIM 614678）と一致している。^[50]

• A古細菌では、複数のエクソソームタンパク質が複数のコピーで存在し、エクソソーム複合体の完全なコアを形成します。
• Bヒトでは、この位置に 2 つの異なるタンパク質が結合している可能性があります。細胞の細胞質では、Dis3L1 はエクソソームに結合していますが、核では、Dis3 はコア複合体に結合できます。
• C複合体のリボ核酸分解活性に寄与する。

• 細胞の主なタンパク質分解装置であるプロテアソーム
• スプライソソームはRNAスプライシングに関与する複合体であり、RNA結合リング構造も含んでいる。

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• RCSBタンパク質データバンクにおけるヒトエクソソームの構造
• RCSBタンパク質データバンクにおける古細菌エクソソームの構造
• RCSB タンパク質データバンクにおける RNA に結合した古細菌エクソソームの構造
• RCSB タンパク質データバンクにおける酵母エクソソームタンパク質 Rrp6 の構造
• EMデータバンク(EMDB)におけるエクソソームの3D高分子構造