スプライソソーム

スプライソソームは、主に真核細胞の核内に存在する大きなリボ核タンパク質（RNP）複合体です。スプライソソームは、小型核RNA（snRNA）と多数のタンパク質から組み立てられます。小型核RNA（snRNA）分子は特定のタンパク質に結合して小型核リボ核タンパク質複合体（snRNP、発音は「スナープス」）を形成し、これがさらに他のsnRNPと結合してスプライソソームと呼ばれる大きなリボ核タンパク質複合体を形成します。スプライソソームは、転写されたpre-mRNA（一次転写産物の一種）からイントロンを除去します。このプロセスは一般にスプライシングと呼ばれます。^{[ 1 ]} 例えるなら、映画編集者が最初の映画から無関係または不正確な素材（イントロンに相当）を選択的にカットし、最終編集のためにクリーンアップされたバージョンを監督に送るようなものです。

しかし、イントロン内のRNAがリボザイムとして働き、スプライソソームや酵素を使わずに自己スプライシングを行う場合もある。

1977年、シャープとロバーツの研究室による研究で、高等生物の遺伝子は「分裂」しており、DNA分子に沿って複数の異なるセグメントに存在することが明らかになった。^{[ 2 ] [ 3 ]} 遺伝子のコード領域は、タンパク質発現に関与しない非コードDNAによって隔てられている。分裂遺伝子構造は、アデノウイルスmRNAを一本鎖ウイルスDNAのエンドヌクレアーゼ切断断片とハイブリダイズさせたときに発見された。 ^{[ 2 ]} mRNA-DNAハイブリッドのmRNAには、水素結合していない領域の5'末端と3'末端が含まれていることが観察された。より大きなウイルスDNA断片を使用した場合、ウイルスmRNAとハイブリダイズさせたときに、ループアウトしたDNAのフォーク構造が観察された。ループアウトした領域、すなわちイントロンは、シャープが「スプライシング」と名付けたプロセスで前駆体mRNAから切り出されることがわかった。分裂遺伝子構造は、その後、ほとんどの真核生物の遺伝子に共通することが判明した。 フィリップ・シャープとリチャード・J・ロバーツは、イントロンとスプライシング過程の発見により、1993年のノーベル生理学・医学賞を受賞した。

各スプライソソームは、5つの小型核RNA（snRNA）と、それに関連する様々なタンパク質因子から構成されています。これらの小型RNAがタンパク質因子と結合すると、snRNP（小型核リボヌクレオタンパク質、発音は「スナープ」）と呼ばれるRNA-タンパク質複合体が形成されます。主要なスプライソソームを構成するsnRNAは、ウリジンが豊富で、いくつかのRNA-RNAおよびRNA-タンパク質相互作用に関与していることから、 U1、U2、U4、U5、U6と名付けられています。 ^{[ 1 ]}

スプライソソームの組み立ては、各プレmRNA（ヘテロ核RNA、hnRNAとも呼ばれる）上の各エクソンとイントロンの接合部で起こる。プレmRNAのイントロンには、スプライソソームの組み立て中に認識され利用される特定の配列要素が含まれている。これらには、5'末端スプライス部位、分岐点配列、ポリピリミジン配列、および3'末端スプライス部位が含まれる。スプライソソームは、イントロンの除去と、隣接するエクソンの連結を触媒する。

イントロンは通常、5'末端スプライス部位にGUヌクレオチド配列、3'末端スプライス部位にAGヌクレオチド配列を持つ。3'スプライス部位は、ポリピリミジン配列（PPT）と呼ばれる可変長のポリピリミジンによってさらに定義され、3'スプライス部位への因子のリクルートと、分岐点配列（BPS）への因子のリクルートという二重の機能を果たす。BPSには、スプライシングの最初のステップに必要な保存されたアデノシンが含まれている。

多くのタンパク質は亜鉛結合モチーフを示し、これはスプライシング機構における亜鉛の重要性を強調している。^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]} U4/U6.U5三重小型核リボ核タンパク質（tri-snRNP）複合体の最初の分子分解能再構成は2016年に報告された。^{[ 7 ]}

低温電子顕微鏡法（Cryo-EM）は、Shi らによって酵母^{[ 9 ]}とヒト^{[ 10 ]}の両方でスプライソソームのほぼ原子レベルの構造を解明するために広く応用されてきた。ほぼ原子レベルの解像度でのスプライソソームの分子フレームワークは、酵母では U5 snRNP の Spp42 コンポーネントが中心足場を形成し、触媒中心を固定することを示している。ヒトのスプライソソームの原子構造は、ステップ II コンポーネント Slu7 が拡張構造をとり、3' スプライス部位の選択に備えていることを示している。酵母複合体の 5 つの金属 (Mg2+ と割り当てられている) はすべてヒト複合体でも保存されている。

選択的スプライシング（異なるエクソンの組み換え）は、真核生物の遺伝的多様性の主要な源である。スプライシングバリアントは、ヒトゲノムのタンパク質コード遺伝子の数が比較的少ないこと（現在約20,000と推定されている）を説明するために使用されてきた。ショウジョウバエの特定の遺伝子Dscamは、そのすべてのエクソンが互いに独立してスプライシングできると仮定すると、 38,000種類の異なるmRNAに選択的にスプライシングされると推測されている。 ^{[ 11 ]}

プレmRNAスプライシング因子は、当初、核斑と呼ばれる核小体に濃縮されていることが発見されました。 ^{[ 12 ]}当初、核斑はmRNAスプライシングの部位、またはmRNAスプライシング因子の貯蔵部位であると仮定されていました。現在では、核斑は物理的に近くにある遺伝子の近くにスプライシング因子を濃縮するのに役立つことが理解されています。斑から遠い位置にある遺伝子も転写およびスプライシングされますが、斑に近い遺伝子と比較してスプライシング効率は低くなります。^{[ 13 ]} RNAスプライシングは生化学反応であり、すべての生化学反応と同様に、その速度は酵素と基質の濃度に依存します。この場合、酵素はスプライソソームであり、基質はプレmRNAです。細胞は、核斑への近接度に基づいてスプライソソームとプレmRNAの濃度を変化させることで、スプライシングの効率を調節できる可能性があります。^{[ 13 ]}

スプライソソーム活性部位の形成モデルは、pre-mRNA基質上での離散的なsnRNP粒子の秩序だった段階的な集合を伴う。pre-mRNAの最初の認識には、U1 snRNPがpre-mRNAの5'末端スプライス部位に結合し、他の非snRNP関連因子が関与してコミットメント複合体、または哺乳類では初期（E）複合体を形成することが含まれる。^{[ 14 ] [ 15 ]}コミットメント複合体はATP非依存性複合体であり、pre-mRNAをスプライシング経路にコミットさせる。^{[ 16 ]} U2 snRNPは、E複合体の構成要素であるU2AF（U2 snRNP補助因子）およびおそらくU1 snRNPとの相互作用を介して分岐領域にリクルートされる。 ATP依存性反応では、U2 snRNPが分岐点配列（BPS）と強く結合して複合体Aを形成する。U2 snRNPとpre-mRNA分岐領域の間に形成された二重らせんが分岐アデノシンを突出させ、それが最初のトランスエステル化の求核剤となる。^{[ 17 ]}

U2 snRNA の分岐部位のほぼ反対側に擬似ウリジン残基が存在すると、U2 snRNP の結合時に RNA-RNA 二重らせんの構造が変化する。具体的には、擬似ウリジンによって誘発される二重らせんの構造変化により、膨らんだアデノシンの 2' OH がスプライシングの最初のステップに適した位置になる。^{[ 18 ]} U4/U5/U6 トリス nRNP (図 1 を参照) は、組み立て中のスプライソソームにリクルートされて複合体 B を形成し、いくつかの再配置の後、複合体 C が触媒作用のために活性化される。^{[ 19 ] [ 20 ]}トリス nRNP が複合体 A にどのようにリクルートされるかは不明だが、このプロセスは U2 snRNA と U6 snRNA の間のタンパク質間相互作用および/または塩基対形成相互作用を介して行われる可能性がある。

U5 snRNPはU5 snRNAの不変ループを介して5'および3'スプライス部位の配列と相互作用し^{[ 21 ]}、U5タンパク質成分は3'スプライス部位領域と相互作用する^{[ 22 ] 。}

トリスnRNPがリクルートされると、最初の触媒ステップの前にいくつかのRNA-RNA再編成が起こり、触媒活性のあるスプライソソームでさらに再編成が起こる。いくつかのRNA-RNA相互作用は相互排他的であるが、これらの相互作用を何が引き起こすのか、またこれらの再編成の順序は不明である。最初の再編成はおそらくU1 snRNPが5'スプライス部位から移動し、U6 snRNA相互作用が形成されることである。U1 snRNPは完全に形成されたスプライソソームと弱くしか関連していないことが知られており^{[ 23 ]}、短い5'エクソンと5'スプライス部位を含む基質オリゴヌクレオチドのモデル上でU6-5'スプライス部位相互作用の形成をU1 snRNPが阻害する^{[ 24 ]} 。U2 snRNPが分岐点配列（BPS）に結合することは、RNA-RNA相互作用がタンパク質-RNA相互作用を置き換える例の1つである。 U2 snRNPがリクルートされると、U2 snRNAとSF1の結合部位は互いに排他的な事象であるため、コミットメント複合体内の分岐結合タンパク質SF1は置き換えられる。

U2 snRNA 内には、競合するコンフォメーション間で起こる他の相互排他的な再配置があります。たとえば、活性型ではステムループ IIa が好まれ、不活性型ではループと下流配列間の相互排他的な相互作用が優勢になります。^{[ 20 ]} RNA がスプライソソームの組み立てに関与していることが示唆されており、U4/U6 をほどいて U2/U6 snRNA の相互作用の形成を促進する機能がある可能性があるにもかかわらず、U4 が U6 snRNA からどのように置換されるかは不明です。U4/U6 ステムループ I と II の相互作用が解離し、U6 の解放されたステムループ II 領域が折り畳まれて分子内ステムループを形成し、U4 はそれ以上のスプライソソームの組み立てには必要なくなります。U6 の解放されたステムループ I 領域は U2 snRNA と塩基対を形成し、U2/U6 ヘリックス I を形成します。ただし、ヘリックス I 構造は、U2 snRNA の内部 5' ステムループ領域の 3' 半分とは相互排他的です。

真核生物の中には、いわゆるマイナースプライソソームと呼ばれる第2のスプライソソームを持つものもある。^{[ 25 ]}比較的少ないsnRNA群であるU11、U12、U4atac、U6atacは、U5とともにマイナースプライソソームのサブユニットであり、U12型と呼ばれるまれなクラスのpre-mRNAイントロンをスプライシングする。マイナースプライソソームは、主要なスプライソソームと同様に核内に位置しているが、^{[ 26 ]核を持たない血小板[ 27 ]}や神経細胞の樹状突起細胞質^{[ 28 ]}などの特殊な細胞では例外がある。

• EMデータバンク（EMDB）からのスプライソソームの3D高分子構造
• 米国国立医学図書館の医学主題見出し（MeSH）におけるスプライソソーム