テロメア反復配列を含むRNA

テロメア反復配列含有 RNA ( TERRA ) は、テロメアから転写される長い非コード RNAです。テロメアは、DNA を劣化や隣接する染色体との融合から保護する役割を果たす染色体の末端にある反復ヌクレオチド領域です。TERRA は、ヒト、マウス、酵母など、線状染色体を含むほぼすべての細胞型で普遍的に発現していることがわかっています。TERRA の正確な機能はまだ研究が進められている分野ですが、一般的には、テロメラーゼ活性の調節と染色体末端のヘテロクロマチン状態の維持に役割を果たしていると考えられています。TERRA とその他の関連するテロメアタンパク質との相互作用も、長さに依存してテロメアの完全性の調節に役立つことが示されています。

TERRA は染色体末端のゲノムの完全性を維持する上で幅広い役割を担っているため、TERRA の機能不全は、不適切なテロメア短縮や細胞老化に関連する症候群や、がんの進行など、多くの疾患状態と関連していることも示されています。そのため、TERRA の転写やその他の直接的/間接的な相互作用を調節する薬理化合物は、新しい治療戦略の開発に有効な方法となる可能性があります。

TERRAは進化的に保存された長い非コードRNAで、ニワトリ（Gallus gallus domesticus）^[1] 、ヒト（Homo sapiens）、出芽酵母（Schizosaccharomyces cerevisiae）、分裂酵母（Schizosaccharomyces pombe）、マウス（Mus musculus）、ゼブラフィッシュ（Danio rerio）、さまざまな植物（Arabidopsis thalianaなど）などの多くの核を含む真核細胞に見られます。^{[2] [3] [4] [5] TERRAは}、ほとんどの組織で線状染色体の末端にあるサブテロメア領域とテロメア領域から連続した配列としてDNAから転写されます。転写は5'から3'方向（セントロメアからテロメアへ）に起こり、TERRA転写産物の長さは不均一で、ヒト細胞の場合100塩基から9キロベースまでの範囲です。^{[6] TERRA転写の大部分はRNAポリメラーゼII（} RNAPII）によって行われることが示されていますが、 ^{[3] [4]} RNAポリメラーゼIとIIIも哺乳類のTERRA転写に機能している可能性があります。^[7]

正確な転写開始部位は依然として議論の余地があるが、TERRA 転写は染色体の末端にあるサブテロメア領域、テロメアのタンデムリピートが始まる直前で始まるというのが広く信じられている。ヒトでは、23 の染色体末端のうち少なくとも 20 にCpG アイランドが含まれていることが示されており、これは通常サブテロメア領域の転写開始部位またはその近くに見られる。これらの CpG アイランド内には、連続して発生する 3 つの反復 DNA 領域がある。1 つは 61 塩基対 (bp) 単位の反復からなるセントロメア近位領域、2 つ目は 29 bp 単位のより遠位領域、そして 3 つ目は 37 bp 単位領域である。これらの高度に保存された反復要素は、61-29-37 リピートとして知られている。さらに、 RNAPIIのリクルートを助けることが知られているクロマチン組織化因子CTCF（CCCTC結合因子）、コヒーシン、およびRad21 ^[8]も、これらのCpGアイランドのすぐ上流の末端小胞トラックの1〜2キロベース以内に結合することが示されています。^[9]はっきりとはわかっていませんが、提案されているTERRA転写開始部位のすぐ上流にこれらの因子が近接していることから、 TERRA転写開始のプロモーター要素として機能する可能性があることが示唆されています。 ^[6]

TERRA転写産物の長さの幅広い範囲は、主にテロメア領域内の転写終結部位の相違、または3'末端処理の変動に起因すると考えられています。テロメアにはRNA転写の終了を知らせる標準的な終止コドンが含まれていないため、テロメア経路上のどこで転写が停止するかは不明です。核内で転写されるほとんどのmRNAと同様に、ほぼすべてのTERRA転写産物は5'末端に7-メチルグアノシン（m ⁷ G）キャップ構造を含んでいます。^[10]そのため、転写後変動の大部分は転写産物の3'末端で発生しますが、これは種間および個々の細胞内で異なることが示されています。ヒトでは、TERRA転写産物の約7～10%が転写後ポリアデニル化されていることが示されていますが^{[11] [3]}、酵母で転写されたTERRAのほぼすべてには、ポリアデニル化ポリメラーゼPap1（S. cerevisiae）^[4]またはCid12/Cid14（S. pombe ） ^{[12]によって付加されたポリ(A)テール[4]}が含まれます。これらの転写後修飾は両方とも、修飾されていない転写産物（半減期約3時間）と比較して、細胞内でのTERRAの安定化（半減期約8時間）に寄与しています。^{[3] [10]}さらに、ポリアデニル化テールの存在は、核内でのTERRAの局在の決定要因としても機能しているようです。ポリ(A)テールを含むTERRA転写産物は、通常、核質内に「自由」な状態で存在するが、ポリアデニル化テールを欠く転写産物は、核質（60%）とクロマチン結合状態（40%）に分けられる。^[10]

テロメア末端と関連することが示されている多くのタンパク質は、細胞内のTERRA転写レベルの調節に関与している。ヒストン脱アセチル化酵素^[11]、SUV39H1 H3K9ヒストンメチルトランスフェラーゼ^[3]、およびヒト細胞中のDNAメチルトランスフェラーゼ3b（DNMT3B ） ^[13]などのテロメアでのヘテロクロマチン状態の調節に関与する因子は、 TERRAの総発現を制御する上で重要な役割を果たしている。さらに、シェルタリン成分TRF1はTERRA転写をサポートすることが示されている。^[3]テロメア末端の保護に関与する6つのタンパク質複合体の一部として、TRF1はTERRAの主要な転写ポリメラーゼRNAPIIのテロメア領域での進行を促進することが示されているが、ポリメラーゼの直接的なリクルートを促進することは示されていない。

酵母細胞では、TERRAの安定性は、タンパク質Rap1およびRif1/2との相互作用を介して、5'から3'エキソヌクレアーゼRat1（ヒトオルソログXrn2）によって核内で厳密に制御されていることが示されている。 ^{[4] [14] TERRA転写産物が転写元のテロメアに繋がれたまま}シスで作用するのか、それとも何らかの未知のメカニズムによってテロメアから別のテロメアに移動して機能を調節するのか（トランスで作用）は不明である。

現在、TERRAはテロメア由来のRNA転写産物の研究の主な対象となっているが、酵母テロメアトランスクリプトームの一部として、ARRETとして知られる5'サブテロメア配列に相補的な転写産物、αARRETとして知られるARRETに相補的なサブテロメア転写産物、およびARIAとして知られるCに富むテロメア反復配列を含む転写産物など、多種多様な代替転写産物も同定されている。^{[12] [15]}

テロメラーゼは、種依存性タンデムリピート配列（ヒトではTTAGGG）をテロメア末端に付加する役割を担うリボ核タンパク質である。これらのテロメアリピートは、染色体末端をDNA損傷や隣接染色体との末端同士の融合から保護する働きがある。TERRA発現はテロメア長依存的に調節されていることも示されているため、^[3] TERRAはテロメラーゼとともに、染色体末端のテロメアリピート長を調節する重要な役割を果たしていると考えられている。一般的に、テロメアが長い細胞ではTERRA発現が高く、テロメアが短い細胞ではTERRA発現が比較的低い。同時に、テロメラーゼ活性はテロメアが短いときに最大となり、テロメアが長いときに最低となることが知られている。したがって、TERRAは長いテロメアを持つ細胞ではテロメラーゼ活性の負の調節因子として作用し^{[3] [4] [16]、}短いテロメアではテロメラーゼ活性の正の調節因子として機能する^[8]と提案されている。これは、各テロメア状態における相対的なTERRA発現と関連している。

長いテロメアを持つ細胞では、TERRAはテロメラーゼ活性の負の調節因子として働くことが提案されている。この直接的な阻害機能は、TERRAの3'末端全体に見られるタンデムリピートとテロメラーゼの相補的RNAテンプレート領域の塩基対形成を介して作用する。^[6] TERRA転写産物の相補的塩基対形成は、TERRA発現が最高であるときにテロメラーゼのDNA基質と競合するように働き、テロメラーゼがテロメアをさらに長くするのを防ぐ。TERRAはテロメラーゼの触媒逆転写酵素サブユニット（TERT ）と相互作用し、それによってテロメラーゼ機能のアロステリック阻害剤として働き、さらなるテロメアリピートの追加を防ぐ可能性がある。TERRA-テロメラーゼ相互作用のこのモデルは、TERRA模倣（UUAGGG）_{3オリゴヌクレオチドが}in vitroでテロメラーゼ活性を完全に阻害することが示されている実験的証拠によって裏付けられている。^{[3] [17]しかし、}生体内でのこの関係の証拠は依然として不明である。

一見矛盾しているように思えるが、TERRAはむしろテロメラーゼのリクルートメントを調整し、短いテロメアを持つ細胞でのその後のテロメア伸長を促進すると考えられている。特に酵母の短いテロメアでは、TERRA分子が酵母テロメラーゼRNA TLC1とのクラスター形成を助けるという証拠がある。T-Recとして知られるこれらのクラスターは、短いテロメアに優先的に局在することが示されており、したがってテロメラーゼベースの伸長を促進する可能性がある。^[18]さらに、TERRA分子内のUUAGGGリピートに優先的に結合するタンパク質、例えば異種核リボ核タンパク質hnRNP1Aは、短いテロメアで見られるTERRAテロメラーゼの直接的な阻害を防ぎ、テロメラーゼを介した伸長を促進することが示されている。

TERRA とテロメラーゼの相互作用の真の性質は、まだ完全には解明されていません。しかし、テロメラーゼが染色体の末端にテロメア反復を追加する能力が、TERRA との相互作用と複雑に絡み合っていることは明らかです。

一般的に、長い非コードRNAは、クロマチン修飾酵素をゲノム遺伝子座にリクルーターとして機能させることで、クロマチンのエピジェネティックな変化を媒介することが知られています。TERRAも同様の役割を果たしていると考えられており、ヘテロクロマチンタンパク質と関連するクロマチンリモデリング複合体の両方をテロメアにリクルートし、ヘテロクロマチン形成を確立または維持するのに役立ちます。

クロマチンがテロメアで凝縮したヘテロクロマチン状態を維持する方法の1つは、酵素DNAメチルトランスフェラーゼ1および3b（DNMT1/3b）を介することです。これらの因子が枯渇した実験では、TERRA発現レベルの増加が得られました。 ^[19]これは、サブテロメア領域のメチル化状態がTERRAの発現を制御するのに役立つ可能性があることを示唆しています。テロメアヒストンのさらなる翻訳後修飾も、TERRA制御に極めて重要な役割を果たしている可能性があります。トリメチル化ヒストンH3K9me3およびH4K30me3の密度の低下は、TERRAレベルの上昇と相関することが示されている。^[20] RNAプルダウン実験では、TERRAがHP1α、HP1β、および起点認識複合体（ORC）などのヘテロクロマチンタンパク質と関連することも示されています。^[21]これらの因子は、ヘテロクロマチンの確立とそれに続く転写サイレンシングに役割を果たすことが知られています。 TERRAを模倣したオリゴヌクレオチドは、NuAヒストンアセチルトランスフェラーゼ複合体、BAF型SWI/SNFヌクレオソームリモデリング複合体、NoRCクロマチンリモデリング複合体などの他のクロマチンリモデリング複合体と関連することも示されています。^[22] TERRAはこれらの因子とクロマチンの相互作用を安定化させ、ヘテロクロマチン形成を促進する働きがあると考えられています。

全体的に、TERRA がヘテロクロマチン状態を調節し、またヘテロクロマチン状態によって調節されるという複雑な関係が証拠によって示されています。クロマチンの凝縮を引き起こす抑制ヒストン マークの密度の増加は、TERRA 発現の減少と相関しています。同時に、クロマチンがよりユークロマチンになる、つまり本質的に「オープン」になるエピジェネティックな変化は、TERRA 発現の増加と相関しています。上記は、TERRA 発現の調整に寄与することが示されている要因ですが、これは決して網羅的なリストではありません。

TERRA は真核細胞の核内にのみ存在し、特にテロメアの染色体末端と関連していることがわかっています。TERRA がテロメアクロマチンの必須または永久的な構成要素であることは示されていませんが、TERRA の主な機能は、テロメア DNA との直接的な相互作用、または関連するテロメアタンパク質の結合によって、 テロメアの構造的完全性を一時的に維持することであると考えられています。

データによると、TERRAはin vitroおよびin vivoの両方でテロメアDNAと相互作用してG四重鎖構造を形成することが示されている。^{[23] [24]}これらの構造は、TERRA転写産物に見られる豊富なグアニンと、フーグスティーン水素結合を介して会合する能力により形成されます。結果として生じる正方形平面構造はグアニンテトラド（GテトラドまたはGカルテットとも呼ばれる）として知られており、2つ以上のグアニンテトラドが互いの上に積み重なると、G四重鎖を形成します。これらの複雑な構造は、特に長いテロメアを持つ細胞において、テロメラーゼがタンデムTTAGGGリピートを追加する能力を阻害することにより、テロメア長を調節することが示されている。この阻害効果は、テロメア長依存的に機能するようである。^[3]つまり、TERRAレベルはテロメア伸長の活性の増加と逆相関している。一般的に、TERRAは長いテロメアを持つ細胞に最も豊富に存在することが示されており^{[2] [3]、}短いテロメアを持つ細胞では転写産物の発現レベルは比較的低い。また、ヒト細胞におけるTERRAの過剰発現は、Ku70 / 80二量体を介して5'-3'エキソヌクレアーゼExo1を阻害することでテロメア処理を促進するのに役立つという証拠もある。^{[22] [25]}

TERRAの発現は、クロマチンリモデリングタンパク質ATRXを介して細胞周期によって制御されることも示されており、TERRAの発現は有糸分裂後のG ₁期に最も高くなり、その後徐々に低下してS期に最低になります。^[10]そのため、 TERRAは複製中に一本鎖DNAとハイブリダイズする可能性があるため、 TERRAの発現はDNA複製の適切な調整に重要な役割を果たしている可能性があります。 ^{[21] [26] [27] [28]}テロメアが長くTERRAの発現が高い細胞では、これが複製停止と最終的な複製フォークの崩壊につながり、テロメアでの二本鎖切断につながる可能性があります。^{[26]このモデルは、} DNA-RNAハイブリッドの持続がDNA損傷の増加につながるゲノムの他の領域での証拠によって裏付けられています。^{[29] [30] [31]}

TERRAはテロメア末端のテロメア保護シェルテリン複合体の安定化にも関与していることが示唆されている。TERRAはhnRNPA1と連携して複製後に一本鎖DNAからRPAを除去し、シェルテリン成分POT1のテロメア末端へのローディングを促進することが証明されている。 ^[32]これによりシェルテリン複合体が安定化し、染色体の末端を適切にキャップしてDNA損傷シグナル伝達経路による認識から保護することができる。

テロメラーゼ発現を欠く細胞では、ほとんどの細胞が代わりに組換えに基づくテロメア代替延長（ALT）経路を介してテロメアの末端を維持することが確立されています。TERRAはこれらの細胞で細胞老化の開始を遅らせ、代わりに相同組換えのメカニズムを促進し、それによってテロメア末端を維持する代替手段としてALT表現型を促進する可能性があると提案されています。^[33]このモデルを裏付けるように、TERRA発現は細胞のALT状態にも関連していることが示されています。ALT経路を利用することが実験的に確認されている細胞は、非ALT細胞と比較してTERRA発現レベルが著しく高いです。^[33]この提案モデルに関与する複雑な相互作用の特定の性質は、現在も活発に研究されている分野です。

さらに、 TERRAはテロメア末端で機能するタンパク質との多くの相互作用において役割を果たすことが示されています。UPF1 、SMG1、EST1A/SMG6などのナンセンス依存RNA分解（NMD）機構^{[2] [34]}やヘテロ核リボ核タンパク質（hnRNP）ファミリーのメンバーとの関連も、テロメア末端からのTERRAの置換を制御することが示されています。TERRAの置換を積極的に調整するこれらのメカニズムの能力は、TERRAがテロメアクロマチンの安定した構成要素ではなく、それ自体が必ずしも不安定ではないという証拠を提供します。^{[2] [35]}代わりに、TERRA置換の制御された制御は、テロメアでのTERRAの局在と全体的なゲノムの完全性との間に関連があることを示唆しています。たとえば、TERRA の発現が低い短いテロメアでは、UPF1 やその他の SMG 因子がDNA ポリメラーゼ δと連携して、複製中にテロメアから TERRA を除去し、フォークの停止を緩和して複製機構の進行を可能にする可能性があります。さらに、複製フォークの停止と SMG 因子のリクルートメントは、テロメアへのテロメラーゼの局在化にも役立ち、そこでde novoリピートが追加されて短い染色体の伸長が促進される可能性があります。

TERRAの機能不全が直接原因となる疾患はないが、不適切なテロメア短縮や細胞老化に関連する多くの疾患は、TERRAの機能不全発現を原因因子の一つとしている可能性がある。そのような例としては、癌の発生と進行、^{[36] [37]} 先天性角化異常症（DC）、^[38] 特発性肺線維症（IPF）、^[39]再生 不良性貧血（AA）、^[40] 星細胞腫、^[41]および原因不明の肝硬変^[42]などがある。

ICFは、テロメアでのヘテロクロマチン維持における重要な調節因子として機能するDNAメチルトランスフェラーゼ3b（DNMT3b ）の欠損または変異によって生じる、まれな常染色体劣性疾患である。 ^[43]その結果、多くのICF患者は、さまざまな組織で自発的なゲノム不安定性や全身性免疫不全を経験する。 短いテロメアでのTERRAレベルは従来低いのとは対照的に、ICF患者は極端に短くなったテロメアでTERRA転写の増加を示すことが最近示された^[13 ] 。 しかし、これはおそらく、DNMT3bの欠損または変異によってサブテロメア領域内のCpGアイランドの低メチル化が引き起こされ、TERRA転写の増加が可能になった結果である。^{[13] [44]}さらなる証拠は、テロメアでのトリメチル化ヒストンH3K9の減少と、サブテロメアでのシェレリン成分TRF2の結合の喪失を示している。^[44]その結果、TERRAの発現増加はテロメアの異常な短縮にさらに寄与し、自発的なゲノム不安定性および全身性免疫不全につながる。少なくとも、DNAメチル化、TERRA調節、およびテロメア長の間には因果関係があるように思われるが、その関係は現在のところ十分に解明されていない。

TERRA発現における最も顕著な違いの1つは、TERRAレベルが著しく上昇している癌細胞と、正常な体細胞組織との間に存在する。この観察結果は、TERRA発現レベルが高いと、おそらく無制限の細胞増殖を促進し、細胞の形質転換を誘発する能力において、進化的に何らかの形で癌の進行に利益をもたらすに違いないことを示唆している。癌細胞のサブタイプ内でも、細胞がテロメアの長さを維持するメカニズムに基づいてTERRA発現に違いがあり、TERRAレベルは、相同組み換えに基づくテロメア代替延長（ALT）メカニズムを利用する細胞と比較して、テロメラーゼ陽性細胞で一貫して低いことが示されている。 ^{[33] [41]} TERRAは、ALT陽性癌細胞にテロメアでのゲノム不安定性を促進する手段を与え、この組み換えに基づく延長方法を可能にする可能性がある。このモデルでは、TERRAがALT経路の原因であるか結果であるかは不明のままである。サブテロメアヒストンのメチル化状態も癌細胞におけるTERRA発現に重要な役割を果たしている可能性がある。多くの癌細胞サブタイプはサブテロメアプロモーター領域のCpGアイランドで高度にメチル化されており、TERRAの転写が増加することが知られている。^[45]

現在、細胞内の TERRA を特異的に標的とする阻害剤は知られていません。しかし、上記の多くの疾患や症候群に関連して、TERRA の標的転写サイレンシングは、TERRA 発現レベルが高い細胞の治療に実行可能なメカニズムを提供する可能性があると考えられています。

アロステリック活性化因子の使用によるSIRT1やSIRT6などのTERRA抑制ヒストン脱アセチル化酵素の活性増加は、TERRA転写の能動的抑制の主な候補である可能性がある。^[14]レスベラトロール、ブテイン、ピセアタンノール、イソリキリチゲニン、フィセチン、ケルセチンなどの 市販のサーチュイン活性化化合物（STAC ）は、この軸を標的とする可能性のある小分子の例である。^[46]アンチセンスRNAまたはRNAi技術でTERRAを標的とすることも、適切なテロメア機能を促進し、テロメアの長さを維持する方法である可能性がある。ただし、TERRAとシェルターリン成分POT1との関連は、複合体をテロメアの末端にリクルートする上で重要な役割を果たすため、TERRA転写の完全な廃止は避けなければならないことに注意することが重要です。さらに考慮すべき点として、生物レベルでのTERRA発現の低下は、活発に分裂するすべての細胞の複製能力を高め、腫瘍形成を促進する可能性があります。これらの場合には、TERRA発現レベルが高い細胞を標的とした治療のみを検討する必要があります。

TERRA はテロメラーゼ阻害にも関与すると提案されているため、異常なテロメラーゼ活性が疾患の一因となっている特定の症例では、TERRA 転写を増加させる因子も有用である可能性があります。これらの症例では、一般的なHDAC 阻害剤またはニコチンアミドやカンビノールなどの特定のサーチュイン阻害剤が有効な治療選択肢となる可能性があります。トリコスタチン A (HDAC1/2 阻害剤) は、すでにヒト癌細胞中の TERRA レベルを大幅に増加させることが示されています。^[11] TERRA の上方制御だけではテロメア損失を誘発するのに十分ではないことが示されており、これらの薬剤はテロメラーゼ阻害剤などの他の治療法と組み合わせて投与する必要がある場合があることに留意することが重要です。

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