短い散在核要素

短鎖散在核要素（SINE）は、長さが約100～700塩基対の非自律性非コード 転移要素（TE）です。^{[1]これらは}レトロトランスポゾンの一種で、真核生物のゲノム全体で増幅するDNA要素であり、多くの場合RNA中間体を介して増幅されます。SINEは哺乳類ゲノムの約13％を構成しています。^[2]

SINEの内部領域はtRNAに由来し、高度に保存されていることから、SINEの構造と機能を保存する圧力が働いていると考えられます。^[3] SINEは多くの脊椎動物と無脊椎動物の種に存在しますが、多くの場合、SINEは系統特異的であるため、種間の分岐進化の有用なマーカーとなります。SINE配列のコピー数変異と変異により、種間のSINEの違いに基づいて系統樹を構築することができます。SINEは、ヒトや他の真核生物の特定の種類の遺伝病にも関与しています。

本質的に、短散在核要素は、真核生物の歴史のごく初期に進化した遺伝的寄生生物であり、生物内のタンパク質機構を利用するとともに、同様に寄生的なゲノム要素から機構を盗用します。これらの要素は単純であるため、真核生物のゲノム内で（レトロトランスポジションを通じて）存続および増幅することに非常に成功しています。ゲノムに遍在するようになったこれらの「寄生生物」は、以下で説明するように、生物にとって非常に有害になる可能性があります。しかし、真核生物は短散在核要素をさまざまなシグナル伝達、代謝、および制御経路に統合することができ、SINE は遺伝的多様性の大きな源となっています。これらは、遺伝子発現の調節とRNA 遺伝子の作成において特に重要な役割を果たしているようです。この調節は、クロマチンの再編成とゲノム構造の調節にまで及びます。真核生物間の系統、突然変異、活動の違いにより、短時間散在する核要素は系統解析の有用なツールとなります。

SINEは長末端反復配列（LTR）を含まないため、非LTRレトロトランスポゾンに分類されます。^[4]脊椎動物と無脊椎動物に共通するSINEには、CORE-SINE、V-SINE、AmnSINEの3種類があります。^{[3] SINEには50～500塩基対の内部領域があり、その中には}RNAポリメラーゼIIIの内部プロモーターとして機能するAボックスとBボックスを含むtRNA由来のセグメントが含まれています。^{[5] [3]}

SINEは、本質的には配列の区分である異なるモジュールによって特徴付けられる。SINEは、頭部、本体、尾部を有することができるが、必ずしも有する必要はない。頭部は、短い散在核要素の5'末端にあり、リボソームRNAやtRNAなどのRNAポリメラーゼIIIによって合成されたRNAから進化的に派生したものである。5'頭部は、SINEがどの内因性要素から派生し、その転写機構を寄生的に利用することができたかを示している。^[1]たとえば、Alu SINEの5'は、RNAポリメラーゼIIIによって転写された配列である7SL RNAから派生しており、豊富なリボ核タンパク質であるSRPのRNA要素を生じている。^[6] SINE の本体の起源は不明ですが、対応するLINEと多くの相同性を共有していることが多く、そのため SINE はLINE によってコード化されたエンドヌクレアーゼ(特定の配列モチーフを認識する) を寄生的に利用することができます。最後に、 SINE の3' 末端は、さまざまな長さの短い単純な繰り返しで構成されています。これらの単純な繰り返しは、2 つ (またはそれ以上) の短い散在核要素が結合して二量体 SINE を形成できる場所です。^[7]頭部と尾部のみを持つ短い散在核要素は単純な SINE と呼ばれ、本体も持つか、2 つ以上の SINE の組み合わせである短い散在核要素は複合 SINE と呼ばれます。^[1]

短散在核エレメントは、リボソームRNAとtRNAを転写することが知られているRNAポリメラーゼIIIによって転写されます。これら2種類のRNAは、リボソームの組み立てとmRNAの翻訳に不可欠です。^[8] SINEは、tRNAや多くの小さな核RNAと同様に内部プロモーターを持っているため、ほとんどのタンパク質コード遺伝子とは異なる方法で転写されます。^[1] 言い換えれば、短散在核エレメントは、転写領域自体の中に主要なプロモーター要素を持っています。RNAポリメラーゼIIIによって転写されますが、SINEや内部プロモーターを持つ他の遺伝子は、上流プロモーターを持つ遺伝子とは異なる転写機構や因子をリクルートします。^[9]

染色体構造の変化は、主に遺伝子の転写機構へのアクセス性に影響を与えることで遺伝子発現に影響を及ぼします。染色体は、ゲノムを構成する非常に複雑で階層的なシステムを持っています。ヒストン、メチル基、アセチル基、さまざまなタンパク質やRNAを含むこの構成システムにより、染色体内のさまざまなドメインが、ポリメラーゼ、転写因子、その他の関連タンパク質にさまざまな程度でアクセス可能になります。^[10] さらに、染色体の特定の領域の形状と密度は、さまざまなタンパク質や要素によって促進される相互作用を通じて、染色体上の隣接する（または離れた）領域の形状と密度に影響を及ぼす可能性があります。クロマチン構造に関連し、その構造に寄与することが知られている短散在核要素などの非コードRNAは、遺伝子発現の調節に大きな役割を果たすことができます。^[11] 短散在核要素も同様に、ゲノム構造を変更することで遺伝子調節に関与する可能性があります。

実際、Usmanova et al. 2008 は、短く散在した核要素がクロマチンの再編成と構造の直接的なシグナルとして機能する可能性があることを示唆しました。この論文では、マウスとヒトの染色体におけるSINEの全体的分布を調べ、この分布が遺伝子とCpGモチーフのゲノム分布と非常に類似していることを突き止めました。^[12]遺伝子へのSINEの分布は、他の非コード遺伝要素の分布よりも大幅に類似しており、長く散在した核要素の分布とは大幅に異なっていました。^[12]これは、SINEの分布がLINEを介したレトロ転座によって引き起こされた単なる偶然ではなく、SINEが遺伝子制御に役割を果たしていることを示唆しています。さらに、SINEにはYY1ポリコームタンパク質のモチーフが頻繁に含まれています。^[12] YY1は、発生とシグナル伝達に不可欠なさまざまな遺伝子の転写抑制因子として機能するジンクフィンガータンパク質です。^[13] ポリコームタンパク質YY1は、ヒストン脱アセチル化酵素およびヒストンアセチル化酵素の活性を媒介してクロマチン再構成を促進すると考えられており、これは多くの場合、ヘテロクロマチン（遺伝子サイレンシング状態）の形成を促進する。^[14]したがって、分析は、短く散在した核要素が、クロマチン再構成によるポリコーム依存性遺伝子セットサイレンシングの「シグナルブースター」として機能できることを示唆している。^[12] 本質的には、多くの種類の相互作用の累積的な効果により、密集しておらず、一般的に転写装置にアクセスしやすいユークロマチンと、密集しており、一般的に転写装置にアクセスできないヘテロクロマチンの違いが生じており、SINEはこのプロセスで進化的な役割を果たしているようだ。

クロマチン構造に直接影響を与えることに加えて、SINE が遺伝子発現を潜在的に制御できる方法はいくつかあります。たとえば、長い非コード RNA は転写抑制因子および転写活性化因子と直接相互作用し、それらの機能を弱めたり変更したりすることができます。^[15] この種の制御はさまざまな方法で発生します。RNA 転写産物は共制御因子として転写因子に直接結合できます。また、RNA は共制御因子が転写因子と結合する能力を制御および変更することもできます。^[15] たとえば、特定の長い非コード RNA である Evf-2 は、神経系の発達と組織化に重要な特定のホメオボックス転写因子の共活性化因子として機能することが知られています。^[16]さらに、RNA 転写産物は、転写またはローディング プロセス中に RNA ポリメラーゼと相互作用または結合することにより、転写複合体の機能を妨害する可能性があります。^[15]さらに、SINEのような非コードRNAは遺伝子をコードするDNA二重鎖と直接結合または相互作用し、遺伝子の転写を阻害する可能性がある。^[15]

また、多くの非コードRNAはタンパク質コード遺伝子の近くに分布しており、多くの場合逆方向に分布しています。これは、Usmanovaらが示すように、短い散在核要素に特に当てはまります。遺伝子セットに隣接または重複するこれらの非コードRNAは、転写因子と転写機構をリクルートしてローカル遺伝子の転写を増加または抑制するメカニズムを提供します。YY1ポリコーム転写リプレッサーをリクルートする可能性のあるSINEの特定の例については、上で説明しました。^[12] また、転写複合体が近くの遺伝子の転写を妨げたり防止したりできるため、ローカル遺伝子発現を抑制および制御するメカニズムも提供します。この現象は、多能性細胞の遺伝子制御で特に見られることを示唆する研究があります。^[17]

結論として、SINE などの非コード RNA は、さまざまなレベルと方法で遺伝子発現に影響を与えることができます。短い散在核要素は、真核生物ゲノム全体の遺伝子発現を微調整できる複雑な制御ネットワークに深く統合されていると考えられています。

短い散在核エレメントから転写されたRNAは、いかなるタンパク質産物もコードしませんが、それでも逆転写され、ゲノム内の別の領域に挿入されます。このため、短い散在核エレメントは長い散在核エレメント（LINE）と共進化したと考えられています。なぜなら、LINEは実際にタンパク質産物をコードしており、それが逆転写されてゲノムに再び組み込まれることを可能にするからです。^[4] SINEは、2つの読み枠に含まれるLINEによってコードされるタンパク質を採用したと考えられています。オープンリーディングフレーム1（ORF 1）は、RNAに結合し、LINEタンパク質-RNA複合体構造を促進し維持するためのシャペロンとして機能するタンパク質をコードします。^[18]オープンリーディングフレーム2（ORF 2）は、エンドヌクレアーゼと逆転写酵素の両方の活性を持つタンパク質をコードします。^[19]これにより、LINE mRNAはDNAに逆転写され、タンパク質のエンドヌクレアーゼドメインによって認識される配列モチーフに基づいてゲノムに組み込まれることが可能になる。

LINE-1（L1）は生殖細胞系列および初期発生時に最も頻繁に転写および逆転写される。その結果、SINEはこれらの期間にゲノム上を最も移動する。SINEの転写は初期発生後に体細胞中の転写因子によってダウンレギュレーションされるが、ストレスによって通常はサイレントなSINEのアップレギュレーションを引き起こす可能性がある。^{[20] SINEは、}ウイルスベクターを介して水平伝播によって個体間または種間で伝達される可能性がある。^[21]

SINEはLINESと配列相同性を共有することが知られており、これがLINE機構がSINE転写物を逆転写して統合するための基礎となっている。^[22]一方、一部のSINEはゲノムに組み戻すためのはるかに複雑なシステムを使用していると考えられている。このシステムでは、ランダムな二本鎖DNA切断を使用する（挿入部位を作成する関連する長い散在核要素によってコード化されたエンドヌクレアーゼではなく）。^[22]これらのDNA切断は逆転写酵素をプライミングするために使用され、最終的にSINE転写物をゲノムに組み戻す。^[22]それでもSINEは他のDNA要素によってコード化された酵素に依存しているため、自律的レトロトランスポゾンとして知られるLINEの機構に依存しているため、非自律的レトロトランスポゾンと呼ばれている。^[23]

短散在核エレメントが長散在核エレメントのレトロトランスポゾン機構を利用するように進化したという理論は、異なる種の分類群におけるLINEとSINEの存在と分布を調べた研究によって裏付けられている。^[24]例えば、げっ歯類と霊長類のLINEとSINEは、挿入部位モチーフで非常に強い相同性を示している。^[24]このような証拠は、SINE転写産物の統合がLINEコード化タンパク質産物と共存できるという提案されたメカニズムの根拠となっている。これは、主にそれぞれL1とB1であるLINEとSINEをプロファイリングした20種以上のげっ歯類の詳細な分析によって具体的に実証されている。これらは、げっ歯類だけでなく他の哺乳類にも高頻度に見られるLINEとSINEのファミリーである。^[24]この研究は、LINEとSINEの活動の文脈の中で系統発生の明確化を目指した。

この研究は、L1 LINE絶滅の最初の例であると考えられる候補分類群に到達したが、予想通り、L1 LINE活性を持たない種でB1 SINE活性が発生したことを示す証拠はないことが判明した。^[24]また、この研究では、B1 short-interspersed core element のサイレンシングは実際にはL1 long-interspersed core elementの絶滅より前に発生したことが示唆された。これは、活性L1 LINEを持たない属に最も近い属でB1 SINEがサイレンシングされているという事実による（B1 SINEがサイレンシングされている属には依然として活性L1 LINEが含まれているが）。^[24] 同様に活性L1 long-interspersed core elementを含むがB1 short-interspersed core elementを含まない別の属も発見された。活性B1 SINEが活性L1 LINEを持たない属に存在するという逆のシナリオは見つからなかった。^[24]この結果は予想通りであり、SINEがLINEによってコードされるRNA結合タンパク質、エンドヌクレアーゼ、逆転写酵素を利用するように進化したという理論を強く支持するものである。長く散在する核要素タンパク質産物を積極的に転写・翻訳しない分類群では、SINEはゲノム内で逆転位するための理論的根拠を持っていない。したがって、Rinehartらによって得られた結果は、SINE逆転位の現在のモデルを非常に支持するものである。

コード領域の上流にSINEを挿入すると、エクソンシャッフルや遺伝子の調節領域の変化が生じる可能性がある。遺伝子のコード配列にSINEが挿入されると有害な影響が生じ、制御されていない転座は遺伝性疾患を引き起こす可能性がある。SINEやその他の活性核要素の転座と組み換えは、種分化の過程で系統間の遺伝的多様性に大きく寄与する要因の1つであると考えられている。^[21]

短散在核要素は、真核生物のゲノムに寄生的に起源を持つと考えられています。これらの SINE は進化の時間スケールで何度も変異し、複製され、さまざまな系統を形成しています。進化の初期に起源を持つため、多くの真核生物の系統に遍在しています。

Alu要素は、約300ヌクレオチドの短い散在核要素であり、ヒトで最も一般的なSINEであり、ゲノム全体で1,000,000を超えるコピーがあり、これは全ゲノムの10％を超えています。これは他の種でも珍しいことではありません。^[25] Alu要素のコピー数の違いは、霊長類の種を区別し、系統樹を構築するために使用できます。^[21]イヌは、他の遺伝子または対立遺伝子レベルの変異ではなく、ゲノム全体でのSINEC_Cfリピートの豊富さが主に異なります。これらのイヌ特有のSINEは、スプライスアクセプター部位をコードし、それぞれの種でエクソンまたはイントロンとして現れる配列を変更します。^[26]

哺乳類以外にも、SINEは非骨脊椎動物（ゾウザメ）や一部の魚類（シーラカンス）など、さまざまな種で高コピー数に達することがあります。^[27]植物では、SINEは近縁種に限定されることが多く、進化の過程で頻繁に出現、衰退、消滅してきました。^{[28]しかし、Au-SINE [29]}やAngio-SINE ^[30]などの一部のSINEファミリーは、多くの場合無関係な多くの植物種に異常に広く分布しています。

SINEに関連するヒト疾患は50以上あります。^[20]エクソンの近くまたはエクソン内に挿入されると、SINEは不適切なスプライシングを引き起こし、コーディング領域になったり、読み取りフレームを変更したりして、ヒトや他の動物の疾患表現型につながることがよくあります。^[26]ヒトゲノムへのAlu要素の挿入は、乳がん、大腸がん、白血病、血友病、デント病、嚢胞性線維症、神経線維腫症、その他多くの疾患に関連しています。^[4]

細胞内の遺伝子調節における短い散在核エレメントの役割は、複数の研究によって裏付けられている。そのような研究の1つでは、特定のSINEファミリーとマイクロRNA（ゼブラフィッシュ）との相関関係が調べられた。^[31]調べられた特定のSINEファミリーは、Anamnia V-SINEであった。この短い散在核エレメントファミリーは、多くの遺伝子の3'末端の非翻訳領域によく見られ、脊椎動物のゲノムに存在している。^{[31]この研究では、} Danio rerioゼブラフィッシュ におけるAnamnia V-SINEのゲノム分布と活性を調べる計算分析が行われ、さらに、これらのV-SINEが新しいマイクロRNA遺伝子座を生成する可能性が分析された。^[31] V-SINEを持つことが予測された遺伝子は、（ゲノムの他の領域と比較して）有意に高いハイブリダイゼーションE値を持つマイクロRNAの標的となっていることが判明した。^[31] 高いハイブリダイゼーション E 値を持つ遺伝子は、代謝およびシグナル伝達経路に特に関与する遺伝子でした。^[31]遺伝子内の推定 V-SINE 配列モチーフにハイブリダイズする能力が強いと特定された miRNA のほぼすべては、（哺乳類では）調節的役割を持つことが特定されています。^[31]短散在核要素とさまざまな調節性 microRNA との相関関係を確立するこれらの結果は、V-SINE が代謝、増殖、分化に関連するさまざまなシグナルや刺激に対する応答を弱める上で重要な役割を果たすことを強く示唆しています。短散在核要素レトロトランスポゾンの調節性遺伝子発現ネットワークにおける役割の妥当性と範囲を確立するには、他にも多くの研究を行う必要があります。結論として、SINE が miRNA 遺伝子座を生成する役割とメカニズムについてはあまり知られていませんが、SINE が「RNA 遺伝子」の作成において重要な進化的役割を果たしてきたことは一般的に理解されており、これは上記の SINE と擬似遺伝子でも触れられています。

短い散在核要素がマイクロRNA遺伝子座生成の進化的源であったことを示唆するこのような証拠があるため、両者の潜在的な関係性、およびマイクロRNAがRNA分解、より広くは遺伝子発現を制御するメカニズムについてさらに議論することが重要です。マイクロRNAは、通常22ヌクレオチドの長さの非コードRNAです。^[32]この非タンパク質コードオリゴヌクレオチドは、通常、真核生物のほとんどのmRNAとsnRNAの転写も担うRNAポリメラーゼIIによって、より長い核DNA配列から転写されます。^[33] しかし、一部の研究では、上流に短い散在核要素を持つ一部のマイクロRNAは、mRNAの翻訳に不可欠な2つの転写産物であるリボソームRNAとtRNAに広く関与しているRNAポリメラーゼIIIによって転写されることが示唆されています。^[34] これは、短い散在核要素がマイクロRNAを含む遺伝子制御ネットワークと相互作用するか、または仲介する可能性のある別のメカニズムを提供します。

miRNAを産生するゲノム領域は、隣接するタンパク質コード遺伝子に対してアンチセンスであることが多い独立したRNA遺伝子である場合もあれば、タンパク質コード遺伝子のイントロン内に存在する場合もあります。^[35]マイクロRNAとタンパク質コード遺伝子の共存は、マイクロRNAが遺伝子発現を制御するメカニズムの基礎を提供します。さらに、Scarpatoらは（前述のように）配列分析によって短い散在核要素（SINE）を持つことが予測された遺伝子は、他の遺伝子よりも有意に多くのマイクロRNAによって標的とされ、ハイブリダイズしたことを明らかにしています。^[31]これは、寄生SINEが組み込まれ、複雑な遺伝子制御ネットワークで役割を果たすように進化したRNA遺伝子（マイクロRNAなど）を形成するために利用された進化の道筋を示しています。

マイクロRNAは、一般的に約80ヌクレオチドのより長いRNA鎖の一部として転写され、相補的な塩基対形成によりヘアピンループ構造を形成することができる^[36]。これらの構造は、核内で核タンパク質ディジョージ症候群クリティカルリージョン8（DGCR8）によって認識され、処理され、Droshaタンパク質をリクルートして結合する。^[37] この複合体は、細胞質に輸送されるプレマイクロRNAからヘアピン構造の一部を切断する役割を果たす。プレmiRNAは、タンパク質DICERによって22ヌクレオチドの二本鎖に処理される。^[38] その後、鎖の1つが多タンパク質RNA誘導サイレンシング複合体（RISC）に組み込まれる。^[39]これらのタンパク質の中には、標的mRNAと相互作用してその翻訳を抑制する複合体の能力に重要なアルゴノートファミリーのタンパク質がある。^[40]

microRNA が mRNA の翻訳や分解など遺伝子発現を制御するさまざまな方法を理解することは、遺伝子制御および microRNA 遺伝子座の生成における SINE の潜在的な進化的役割を理解する鍵となります。これは、制御ネットワークにおける SINE の直接的な役割 (長い非コード RNA としての SINE で説明されているように) に加えて、SINE と特定の疾患との関係を理解し​​始める上で非常に重要です。複数の研究で、SINE 活性の増加は特定の遺伝子発現プロファイルおよび特定の遺伝子の転写後制御と相関していることが示唆されています。^{[41] [42] [43]} 実際、Peterson ら 2013 は、高い SINE RNA 発現が、複数の形態の癌、特に乳癌に関与する腫瘍抑制因子であるBRCA1の転写後ダウンレギュレーションと相関していることを実証しました。 ^[43]さらに、研究により、SINE の転写動員と特定の癌および低酸素症などの状態との間に強い相関関係があることが確立されています。これは、SINE活性によって引き起こされるゲノム不安定性だけでなく、より直接的な下流の影響によるものである可能性があります。^[42] SINEは、他の無数の疾患にも関与しています。本質的には、短距離に散在する核要素が、無数の調節、代謝、シグナル伝達経路に深く統合され、疾患を引き起こす上で不可欠な役割を果たしています。これらのゲノム寄生虫についてはまだ多くのことが分かっていませんが、真核生物内で重要な役割を果たしていることは明らかです。

しかし、SINEの活動には、プラスにもマイナスにも重要な役割を果たしていないと思われる遺伝的痕跡があり、ゲノム内では擬似遺伝子として現れる。しかし、SINEをRNA擬似遺伝子と間違えてはならない。^[1]一般に、擬似遺伝子は、タンパク質コード遺伝子の処理されたmRNAが逆転写され、ゲノムに再び組み込まれたときに生成される（RNA擬似遺伝子は逆転写されたRNA遺伝子である）。^[44]擬似遺伝子は、イントロンや転写と処理を可能にするさまざまな調節要素を含む進化的文脈とは無関係に、処理されたRNAから派生するため、通常は機能しない。これらの擬似遺伝子は、非機能的ではあるが、転写を可能にするプロモーター、CpGアイランド、その他の機能を備えている場合がある。そのため、依然として転写され、遺伝子発現の調節において役割を果たす可能性がある（SINEやその他の非コード要素のように）。^[44] このように、偽遺伝子は転写された機能的RNAから派生するのに対し、SINEはRNA遺伝子の転写機構を利用することで逆転移するDNA要素であるという点でSINEとは異なります。しかし、短散在核要素などの逆転移要素は、ゲノム内の別の領域に自分自身を複製できるだけでなく、ランダムな遺伝子に対しても複製できることを示唆する研究があります。^{[45] [46]} このように、SINEは偽遺伝子の生成に重要な役割を果たしている可能性があり、偽遺伝子自体は制御ネットワークに関与することが知られています。これはおそらく、SINEが遺伝子制御に影響を与え、貢献することができるもう1つの手段です。