TRNA-イントロンエンドヌクレアーゼ

tRNAイントロンリアーゼ（EC 4.6.1.16、tRNAイントロンエンドヌクレアーゼ、転移リボ核酸イントロンエンドリボヌクレアーゼ、tRNAスプライシングエンドヌクレアーゼ、スプライシングエンドヌクレアーゼ、tRNATRPintronエンドヌクレアーゼ、転移スプライシングエンドヌクレアーゼ、系統名pretRNAリアーゼ（イントロン除去、環状2′,3′リン酸形成） ）は酵素である。^{[1] [2] [3] [4]エンド}ヌクレアーゼ酵素として、tRNAイントロンリアーゼは、非コードリボ核酸鎖内のホスホジエステル結合のスプライシング を担う。これらの非コードRNA分子は処理された後にtRNA分子を形成し、これはtRNAイントロンリアーゼによるpretRNAのスプライシングに依存している。 tRNA プロセシングは、pretRNA 内のイントロンを見つけて除去するため、tRNA の成熟に必要な重要な転写後修飾です。この酵素は、次の化学反応を触媒します。

pretRNA = 5′-OH末端を持つ3′-半tRNA分子 + 2′,3′-環状リン酸末端を持つ5′-半tRNA分子 + 2′,3′-環状リン酸と5′-ヒドロキシル末端を持つイントロン

この酵素は、 tRNA分子の成熟の初期段階の 1 つを触媒します。

3ドメインシステムのすべてのグループの生物は、 tRNA遺伝子に依存しています。細菌は自己スプライシング能力があるため、切断酵素を必要としません。真核生物のtRNA-イントロンエンドヌクレアーゼは、古細菌のtRNA-イントロンエンドヌクレアーゼから進化したと仮定されています。古細菌ではtRNA-イントロンリアーゼのさまざまな構造が特定されていますが、真核生物のtRNA-イントロンリアーゼについてはあまりわかっていません。tRNA-イントロンリアーゼの構造は、ローカルサブユニットのβストランドの相互作用と、近くのサブユニットのループとポケット間の静電相互作用によって維持されます。tRNA-イントロンリアーゼの活性部位は、チロシン、ヒスチジン、リジンで構成されています。真核生物と古細菌は同様に機能し、同じメカニズムに従って不要なイントロンを見つけてイントロンスプライシングを実行します。イントロンの 3' 末端と 5' 末端の両方でスプライシングが行われます。

tRNA-イントロンリアーゼは、プレtRNAのスプライス部位に対して一定の特異性を必要とします。プレtRNAのスプライス部位に変異があると、酵素が適切な部位で機能しなくなる可能性があります。制御分子は特定されていますが、正確なメカニズムを理解するための現在の知識は限られています。

ヒトを含む哺乳類では、tRNAイントロンリアーゼ遺伝子の変異が橋小脳低形成症（PCH）などの神経変性疾患と関連しています。この疾患は小脳と橋の萎縮を引き起こします。これにより小頭症、重度の運動障害、重度の精神障害が生じます。

古細菌のtRNA-イントロンリアーゼ構造には、α ₄、α′ ₂、(αβ) ₂、および𝜀 ₂の4種類が同定されている。^[5]これら4つの構造はすべて、2つの特定の相互作用によって維持されている。 [6]最初の相互作用は、2つの近接するサブユニットのβストランド間の相互作用であり、2番目の相互作用は、負に帯電したループであるL10と、正に帯電した隣接サブユニットのポケット間の相互作用である。^[6] 4つの構造はすべて、イントロンスプライシング反応を触媒する3つのアミノ酸（チロシン、ヒスチジン、リジン）からなる少なくとも2つの活性部位を特徴とする。^[7]

ホモ四量体tRNAイントロンリアーゼα4は、_{Methanocaldococcus} jannaschiiにのみ見られ、それぞれ179個のアミノ酸からなる4つのαサブユニットからなる直方体の構造をしています。 ^{[6]各αサブユニットは、5つの}αヘリックスおよび混合βシートで構成されています。ホモ二量体tRNAイントロンリアーゼα′2は、₂  つのα′サブユニットで構成されており、リンカーで接続された2つのαサブユニットからなる融合タンパク質のようです。^[8] α′2構造は、 Archaeoglobus fulgidusおよびThermoplasma acidophilumにのみ見られます。^[8]ヘテロ四量体（αβ）_{2構造は、}Nanoarchaeum equitans、Pyrobaculum aerophilum、Aeropyrum pernix、およびMethanopyrus kandleriに見られます。^[9]この構造は2つの触媒αサブユニットと2つの構造βサブユニットで構成されており、前述の2つの構造と同様の機能を持っています。^[9]最後の構造𝜀2_は、 Candidatus Micrarchaeum acidiphilumにのみ見られるホモ二量体です。^{[6]各サブユニットは、2つのリンカーで結合した3つの小さなユニット、 αN}、α、βC^で構成されています。^[6]

真核生物のtRNAイントロンリアーゼの構造についてはあまり知られていない。酵母（Saccharomyces cerevisiae）とヒト（Homo sapience、「T」で区別される）のtRNAイントロンリアーゼはどちらも4つのサブユニットを持っている：α（Sen2/TSen2）、β（Sen34/TSen34）、γ（Sen15/TSen15）、およびẟ（Sen54/TSen54）。^[6] Sen2とSen34サブユニットは触媒的役割を果たし、Sen15とSen54サブユニットは調節的役割を果たしている。^{[5]これらの構造は酵母アイソフォームでは}結晶構造解析によって十分に文書化されているが、真核生物のendA酵素のサブユニットであるTSen15だけが核磁気共鳴（NMR）分光法によって解明されている。^[5]

tRNA-イントロンエンドヌクレアーゼは、プレtRNAに沿ったイントロンを識別し、それらのイントロンを除去するための適切な切除機構を実行します。古細菌、細菌、真核生物の3つのドメインすべてに、イントロンを含むtRNA遺伝子が含まれています。[ 10 ^]細菌のプレtRNAはイントロンを自己スプライシングしますが、古細菌と真核生物はtRNA-イントロンエンドヌクレアーゼを必要とします。^[11]

細菌の自己スプライシングイントロンは、グループ1とグループ2の2つのグループに分類されます。どちらのグループも、一連のエステル交換反応を伴う自己触媒メカニズムを使用してイントロンを除去します。^[12]唯一の2つの違いは、グループ1のイントロンは遊離の外部グアノシン-5'-三リン酸（GTP）を使用するのに対し、グループ2は使用せず、グループ2のイントロンの反応には中間ラリアットの形成が関与することです。^[12]

真核生物と古細菌におけるプレtRNAイントロン切除機構は共有されている。^[12] tRNAイントロンエンドヌクレアーゼがイントロンを切断する部位は、5'スプライス部位と3'スプライス部位の2つある。5'末端では、切断は通常、アンチコドンの3'側の1ヌクレオチドである標準位置で起こる。^[13] 3'末端では、カーディナル位置2（CP2）がイントロンとエクソンの境界を示す。^[11]真核生物と古細菌では、アンチコドン-イントロン（AI）相互作用とバルジ-ヘリックス-バルジ（BHB）モチーフが、それぞれ正しい5'および3'スプライス部位選択の重要な決定因子である。^{[11]さらに、これら2つの重要な決定因子を組み合わせると、}古細菌における正しいスプライス部位選択の決定に適用できる可能性がある。^[11]一部のイントロンはtRNA遺伝子のさまざまな部分、特に古細菌ゲノムに見られますが、これらは軽微なケースです。^{[13] [12]}真核生物と古細菌の機能上の主な違いの1つは、真核生物のエンドヌクレアーゼは遺伝子を正確に切断するために通常tRNAの成熟ドメインを必要とするのに対し、古細菌のエンドヌクレアーゼは必要としないことです。^{[11] [12]} 2つの部位が切断されると、3つの断片が生成されます。5'-OH末端を持つ3'-半分tRNA分子、2',3'-環状リン酸末端を持つ5'-半分tRNA分子、および2',3'-環状リン酸と5'-ヒドロキシル末端を持つイントロンです。

tRNA-イントロンエンドヌクレアーゼを使用したプレtRNAイントロン切除は、tRNA成熟のステップの1つにすぎません。成熟したtRNAが翻訳に使用できるようになるまで、プレtRNAは他の多くの広範な修飾を受けます。

真核生物のtRNAイントロンエンドヌクレアーゼは、古細菌のtRNAイントロンエンドヌクレアーゼ、より具体的には（αβ）₂型から進化したと考えられています。^[6]このことが示された方法の1つは、真核生物のエンドヌクレアーゼにおける古細菌のエンドヌクレアーゼの全体構造の保存を通じてです。真核生物のエンドヌクレアーゼには、2つの追加サブユニット（𝛾とẟ）があるだけです。^[6]このことが示されたもう1つの方法は、真核生物であるシアニディオシゾン・メロラエの研究によって行われました。^[6]この真核生物は、古細菌にのみ見られるBHBモチーフ^[14]を持つtRNA遺伝子を持ち、真核生物のエンドヌクレアーゼは、試験管内でBHBモチーフを認識して切断することができます。^[12]

tRNAイントロンエンドヌクレアーゼとRNase Aファミリーの間にも収束進化関係が見つかっている。^[14] RNase Aは、RNAのP-O5'結合の切断をピリミジン残基の後で特異的に触媒する別の酵素であり、これはtRNAイントロンエンドヌクレアーゼの機能と反応に似ている。^[15]エンドヌクレアーゼのN末端ドメインとC末端ドメインは、それぞれLAGLIDADG DNaseとPD-(D/E)XK DNaseの触媒ドメインに似ている。^[14]これは、エンドヌクレアーゼとRNase Aファミリー間の収束進化の概念を裏付けるものであり、他のRNaseファミリーのどれもが多少似ていることは見つかっていない。^[14]

真核生物のtRNAスプライシングエンドヌクレアーゼの制御についての理解は限られているが、スプライシング部位の認識には様々な条件が必要である。^{[16] [17] [18]エンドヌクレアーゼは、プレtRNAの}エクソンに依存してスプライス部位を決定する。^{[18]エンドヌクレアーゼ酵素は、真核生物のプレtRNAの成熟ドメインを認識し、}スプライス部位からの距離を決定する。RNAエンドヌクレアーゼは、これまでイントロンはその機能の一部ではないと想定されていたにもかかわらず、一部のイントロンとの塩基対合を保存していることが示されている。 ^{[18]これらのイントロン部位での対合は、スプライシングプロセスの継続に必要である。逆に、古細菌のtRNAのスプライス部位の認識には、バルブ-ヘリックス-バルブ}モチーフの存在のみが必要である。^{[16] [4]}エンドヌクレアーゼの触媒サブユニットがプレtRNAのスプライシング部位を認識すると、スプライシングを可能にするための構造変化が促される。

最近の研究では、ヒトのスプライシングの負の調節因子が特定されました。ヒトのtRNAスプライシングエンドヌクレアーゼは、CLP1と呼ばれるポリヌクレオチドキナーゼと反応することがわかりました。 ^[17] CLP1が従う正確なメカニズムは完全には理解されていませんが、CLP1の変異は、tRNAスプライシングエンドヌクレアーゼによって引き起こされるものと同様の神経変性疾患を引き起こすことが知られています。^[17] CLP1はエンドヌクレアーゼによって精製されない場合、エクソンの連結に対する負の調節因子として機能します。これにより、tRNAスプライシングエンドヌクレアーゼが担当するtRNA形成の完了した成熟ステップが阻害されます。このメカニズムはイントロンの切断で終了します。この調節因子は、RNA処理の継続を制限または妨害すると考えられています。^[4]

真核生物のtRNAイントロンリアーゼの特定のサブユニットの変異は、橋小脳低形成と関連している。^[7]この神経変性疾患の発症は、TSen54 (ẟ) サブユニット、TSen2 (α)、TSen34 (β)、そして最近ではTSen15 (γ) の変異に起因する。^[7]この変異は、下等な真核生物には現れず、哺乳類にのみ現れる。^[7]

橋小脳低形成症（PCH）は、小脳および橋の萎縮、小頭症、重度の運動障害、重度の精神障害を含む神経変性疾患のグループです。^[19] PCHには5つのサブタイプがあり、そのうち2つ（PCH2およびPCH4）は真核生物tRNAイントロンリアーゼの変異に関連しています。^{[19] PCH2は}ジストニアと痙縮の症状に関連しており、PCH4は早期死亡とより重篤な病状に関連しています。^[19]

PCH2およびPCH4患者に最も多く見られる変異は、TSen54サブユニットの919G>T変異であり、位置307のアラニンがセリンに置換される。^[20]この変異はβ-β相互作用の不安定化を引き起こし、ヘテロ四量体を形成する能力を変化させる。^{[20]この不安定化によるPCHの発症は十分に理解されていないが、} tRNAレベルの変化に対するニューロンの感受性の結果であると考えられている。 ^[20]多くのニューロン疾患はtRNAおよびmRNAの処理の変化に起因し、このTSen54サブユニット変異はtRNA処理経路を阻害する可能性がある。^[20]

PCH2および/またはPCH4の他の原因としては、他のTSen54点変異（Q246X、Q343X、S93P）、TSen34の変異（R58W）、およびTSen2の変異（Y309C）が挙げられる。^[19] TSen15もPCH2の潜在的な原因として特定されており、病原性変異はTrp76、His116、およびTyr152に影響を及ぼす。^[21]

• 米国国立医学図書館の医学件名標目表(MeSH)における TRNA イントロン + エンドヌクレアーゼ