トランスファーメッセンジャーRNA

トランスファーメッセンジャーRNA
トランスファーメッセンジャーRNA（PDB：3IYR）
識別子
シンボル	tmRNA
Rfam	RF00023
その他のデータ
RNAタイプ	遺伝子
PDB構造	PDBe

トランスファーメッセンジャーRNA（略してtmRNA 、 10Sa RNAとも呼ばれ、遺伝名ではSsrA）は、tRNA様特性とメッセンジャーRNA様特性の両方を備えた細菌RNA分子です。 tmRNA は、小タンパク質B（SmpB）、伸長因子Tu（ EF-Tu）、およびリボソームタンパク質S1とともにリボ核タンパク質複合体（tmRNP ）を形成します。トランストランスレーションでは、 tmRNA とその関連タンパク質は、タンパク質生合成の途中で停止した細菌リボソーム（終止コドンを失ったメッセンジャーRNAの末端に到達したときなど）に結合します。 tmRNA は驚くほど多用途で、停止したリボソームをリサイクルし、未完成のポリペプチドにタンパク質分解を誘導するタグを追加し、異常なメッセンジャーRNAの分解を促進します。^[1]ほとんどの細菌では、これらの機能は標準的なワンピースtmRNAによって実行されます。他の細菌種では、ssrA遺伝子の変異により、2つの別々のRNA鎖が塩基対合によって結合された2ピースtmRNAが生成されます。

tmRNAは、大腸菌RNAの混合「10S」電気泳動画分がさらにtmRNAと同様の大きさのRNase P RNA（10Sb）に分解された後、1979年に初めて10Sa RNAと命名されました。^[2]混合10S RNAにシュードウリジンが存在することから、tmRNAにはtRNAにも見られる修飾塩基があることが示唆されました。tmRNAの3'末端とtRNAのTステムループの類似性は、結核菌由来のssrAの配列決定時に初めて認識されました。^{[3]その後の配列比較により、tmRNAの}5'末端と3'末端によって形成される完全なtRNA様ドメイン（TLD）が明らかになり、これにはアラニンtRNAリガーゼによるアミノアシル化を促進するアラニンtRNAに似た要素を含むアクセプターステムが含まれています。^[4]また、 tRNAとの違いも明らかになりました。tmRNAにはアンチコドンアームがなく、Dアーム領域は塩基対のないループになっています。

大腸菌tmRNAの完全な二次構造は、比較配列解析と構造プローブによって解明されました。^{[5] [6]}ワトソン-クリック塩基対とGU塩基対は、自動計算法と手動のアライメント手順を組み合わせて細菌tmRNA配列を比較することで特定されました。 ^{[7] [8]}添付の図は、このプロトタイプtmRNAの塩基対形成パターンを示しています。これは、系統学的に支持される12のヘリックス（ペアリングP1からP12とも呼ばれる）で構成されており、いくつかはヘリックスセグメントに分割されています。

すべてのtmRNAの顕著な特徴は、保存されたtRNA様ドメイン（TLD）であり、ヘリックス1、12、および2a（それぞれtRNAアクセプターステム、Tステム、および可変ステムの類似体）で構成され、5'一リン酸およびアラニル化可能な3'CCA末端を含む。mRNA様領域（MLR）は、標準的なtmRNAでは、擬似ノットとタグペプチドのコード配列（CDS）を含む大きなループであり、再開コドンと停止コドンでマークされています。コード化されたタグペプチド（大腸菌ではANDENYALAA ）は、おそらく利用可能なプロテアーゼとアダプターのセットに応じて、細菌間で異なります。^[9]

tmRNA には通常 4 つの擬似ノットが含まれており、1 つ (pk1) はタグペプチド CDS の上流にあり、他の 3 つの擬似ノット (pk2 から pk4) は CDS の下流にあります。擬似ノット領域は一般的に保存されていますが、進化的に可塑性があります。たとえば、シアノバクテリアの (1 ピースの) tmRNA では、pk4 が 2 つの縦列配置された小さな擬似ノットに置き換えられています。これは、TLD の外側での tmRNA の折り畳みが重要である可能性があることを示唆していますが、擬似ノット領域には保存された残基がなく、擬似ノットは、ssrA配列がプラスチドと共生系統で分岐するにつれて失われる最初の構造の 1 つです。大腸菌tmRNAの 3 つの擬似ノット領域での塩基対形成は、トランストランスレーション中に破壊されます。^{[7] [10]}

循環的に置換されたssrA は、3 つの主要な系統で報告されています。i) すべてのアルファプロテオバクテリアとヤコブ類原生生物の原始的なミトコンドリア、ii)シアノバクテリアの 2 つの分離したグループ( GloeobacterとProchlorococcusおよび多くのSynechococcusを含む系統群)、iii) ベータプロテオバクテリアの一部のメンバー ( Cupriavidusと一部の Rhodocyclales)。^{[11] [12]}これらすべてが、読み取りフレームの下流で切断された標準形式と同等の、全体的に同じ 2 つのピース (アクセプターとコーディング ピース) 形式を生成します。標準の tmRNA の 4 つ (またはそれ以上) と比較して、 2 つを超える擬似結び目を保持しているものはありません。

アルファプロテオバクテリアには2つの特徴的な配列がある。典型的なTループ配列TΨCRANYがGGCRGUAに置き換わっていることと、3'末端擬似結び目の大きなループにあるAACAGAA配列である。ミトコンドリアではMLRが失われており、ミトコンドリアssrAの顕著な再置換により、 Jakoba liberaでは小さなワンピース生成物が生じている。^[13]

シアノバクテリアは、異なるSynechococcus株 に発生する 2 つの遺伝子タイプ間の配列の顕著な類似性により、標準遺伝子から変異遺伝子が進化した最も妥当な事例を提供します。

ほとんどのtmRNAは、 tRNAとよく似た処理を受けるより大きな前駆体として転写される。5'末端での切断はリボヌクレアーゼPによって行われる。^[4] tmRNAの3'末端の処理には複数のエキソヌクレアーゼが関与するが、RNase TとRNase PHが最も効果的である。^{[14] [15]細菌種に応じて、3'-CCAは}tRNAヌクレオチジルトランスフェラーゼによってコード化されるか、または付加される。

置換された前駆体tmRNAの内部部位での同様の処理により、物理的に2つの部分に分割されます。2つの部分に分かれたtmRNAには、処理を考慮する必要がある2つの追加末端があります。アルファプロテオバクテリアの場合、1つの5'末端は、処理されていない転写の開始部位です。^[16] 遠い3'末端は、場合によってはrho非依存性終結の結果である可能性があります。

完全な tmRNA 分子の高解像度構造は現在入手できず、MLR の固有の柔軟性のため入手が困難な場合があります。2007 年には、 SmpB タンパク質に結合したThermus thermophilus TLD の結晶構造が 3 Å の解像度で得られました。この構造は、SmpB が標準 tRNA の D ステムとアンチコドンを模倣し、tmRNA のらせんセクション 2a が tRNA の可変アームに対応することを示しています。^[18]トランストランスレーションの初期段階における tmRNA のクライオ電子顕微鏡による研究では、リボソームと tmRNP (EF-Tu タンパク質に結合した tmRNA) の空間関係が示されています 。TLDは50Sリボソームサブユニットの GTPase 関連中心の近くにあります。らせん 5 と擬似ノット pk2 から pk4 は、30S リボソームサブユニットのくちばしの周りに弧を形成します。^[19]

tmRNAによるコーディングは1995年に発見されました^[20]。シンプソンと同僚はマウスサイトカインIL-6を大腸菌で過剰発現させ、それぞれカルボキシル末端に同じ11アミノ酸残基延長(A)ANDENYALAAでタグ付けされた複数の切断されたサイトカイン由来ペプチドを発見しました。tmRNA自体の3'末端に由来するN末端アラニンを除いて、このタグ配列は大腸菌tmRNAの短いオープンリーディングフレームにまでさかのぼりました。ケイラーらは、タグペプチドがタンパク質分解を付与することを認識し、tmRNAの作用に対するトランストランスレーションモデルを提唱しました^{[21] 。}

トランストランスレーションのメカニズムの詳細は調査中ですが、 tmRNA が停止したリボソームの空の A サイトを最初に占有することが一般的に認められています。その後、リボソームは切断されたメッセンジャー RNAの 3' 末端からMLR の再開コドンに移動し、その後、フレーム内の tmRNA 停止コドンに遭遇するまで、翻訳が正常に続行されるスリップが発生しやすい段階が続きます。トランストランスレーションは一部の細菌種では必須ですが、ストレスの多い成長条件にさらされた場合、他の細菌は生存するために tmRNA を必要とします。^[22] tmRNA は、抗生物質によって停止したリボソームを救出することで、抗生物質耐性を持つ細胞を助けることができると考えられています。^[23]生物によっては、タグペプチドがさまざまなプロテアーゼまたはプロテアーゼアダプターによって認識される場合があります。^[9]

ssrA は、一部の可動性 DNA の標的であると同時に、他の可動性 DNA の乗客でもある。3 種類の可動性要素によって中断されることがわかっている。これらの要素はそれぞれ異なる戦略で機能を妨げることはない。グループ Iイントロンは自己スプライシングによって自身を除去し、リケッチア回文要素 (RPE) は無害な部位に挿入され、インテグラーゼをコードするゲノム島は標的ssrA を分割するが、分割された部分を復元する。^{[24] [25] [26] [27]}

非染色体ssrA は、マイコバクテリオファージのゲノム調査で初めて検出されました（ファージの 10% で）。^[28]プラスミドやゲノムアイランドなどの他の可動性要素にもssrAが含まれていることがわかっています。興味深い例の 1 つがRhodobacter sphaeroides ATCC 17025 で、この菌の本来の tmRNA 遺伝子はゲノムアイランドによって破壊されています。tmRNA（または tRNA）遺伝子の他のすべてのゲノムアイランドとは異なり、このアイランドは本来の標的遺伝子を不活性化して修復していませんが、独自の tmRNA 遺伝子を保持することでこれを補っています。ssrA の非常に珍しい類似物は、TLD 以外のものをほとんどコードしない溶解性マイコバクテリオファージ DS6A に見られます 。

ミトコンドリアにコードされ、構造的に縮小された形態のtmRNA（mt-tmRNA）は、最初にヤコブ鞭毛虫Reclinomonas americanaで仮定されました。^[11]その後、tmRNAをコードするミトコンドリア遺伝子（ssrA）の存在、および転写とRNAプロセシング部位が、1種を除くすべてのヤコブ鞭毛虫で確認されました。^{[29] [13]}機能的証拠、すなわちアラニンによるmt-tmRNAのアミノアシル化は、 Jakoba liberaで利用可能です。^[13] 最近では、ssrAは卵菌のミトコンドリアゲノムでも同定されました。^{[30] α-プロテオバクテリア（}ミトコンドリアの祖先）と同様に、mt-tmRNAは循環的に置換された2ピースのRNA分子であるが、Jakoba liberaでは遺伝子が1ピースのtmRNA構造をコードするように戻っている。^[13]

ミトコンドリア tmRNA 遺伝子は当初、ヤコブ菌類の間で保存され、独特の tRNA のような二次構造に折り畳まれる可能性のある短い配列として認識されていました。9 つの完全なヤコブ菌類 mtDNA配列^[29]と大幅に改良された共分散検索ツール (Infernal; ^{[31] [32] [33] ) が利用可能になったことで、}ヤコブ菌類ミトコンドリア tmRNAに基づく共分散モデルが開発され、卵菌類のミトコンドリアssrA遺伝子も特定されました。現在、合計 34 の卵菌類 mt-tmRNA が 6 つの属 ( Albugo、Bremia、Phytophthora、Pseudoperonospora、PythiumおよびSaprolegnia )にわたって検出されています。ヤコビッド菌と卵菌の配列の両方で構築された共分散モデルは現在、Rfamで「mt-tmRNA」という名前で入手可能です。^[30]

標準的な細菌tmRNAは、tRNA(Ala)様ドメイン（コードされていないアラニンを、ストップコーディングがないmRNAに追加することを可能にする）と、ポリペプチドをタンパク質分解に向かわせるタンパク質タグをコードするmRNA様ドメインで構成される。mt-tmRNAでは、mRNA様ドメインが失われている。比較配列分析は、mt-tmRNAに典型的な特徴を示している。^[30] 最も保存されているのは、アミノアシル受容体ステムの一次配列である。分子のこの部分には、識別位置に不変のA残基と、位置3にGUペア（GCペアを持つS eculamonas ecuadoriensisを除く）があり、この位置はアラニルtRNA合成酵素の認識部位である。 P2は可変長（3～10塩基対）のらせん構造で、tRNAのアンチコドンステムに相当しますが、アンチコドンループはありません（tmRNAの機能には不要）。P2はtRNAのような構造を安定化しますが、卵菌類とヤコビド類で不変の4つのヌクレオチドは、現在特定されていない追加の機能を示唆しています。P3は5塩基対で、tRNAのTアームに相当しますが、ペア領域とループの両方で異なるコンセンサスヌクレオチドを持っています。Tループ配列は卵菌類とヤコビド類で保存されており、わずかな逸脱しかありません（例：Saprolegnia ferax）。最後に、細菌のtmRNAに特徴的な短縮された3ヌクレオチドのDループを備えたtRNAのようなDステムの代わりに、ミトコンドリアのtmRNAは非常に可変性の高い5～14ヌクレオチド長のループを持っています。 2 ピース mt-tmRNA の介在配列 (Int.) は A+U に富み、長さは不規則です (4-34 nt)。1 ピースおよび 2 ピース mt-tmRNA の二次構造モデルについては、図 1 を参照してください。

Phytophthora sojaeの RNA-Seq データは、近隣のミトコンドリアtRNAと同様の発現レベルを示しており、4 つの主要な処理部位が成熟 mt-tmRNA の予測末端を裏付けています。^[30] tmRNA 前駆体分子は、RNase Pと tRNA 3' 処理エンドヌクレアーゼによって処理されると考えられます (図 2 を参照)。後者の活性により、介在配列が除去されると考えられます。3' 識別ヌクレオチドに CCA を付加した後、tmRNA はアラニル tRNA 合成酵素によってアラニンでチャージされます。

• CLPP
• リボソーム
• メッセンジャーRNA

• tmRDB: tmRNA配列のデータベース
• tmRNAのウェブサイト
• tmRNA の RFAM エントリ^{[永久リンク切れ‍ ]}