RNA splicing
翻訳のための成熟mRNAを形成するためにイントロンを除去するプロセス。
Original: Iinaba Vector: Masumrezarock100 · via Wikipedia: RNA splicing · CC BY-SA 4.0
RNAスプライシングは、前駆体メッセンジャーRNA（pre-mRNA）転写産物からイントロン（非コード領域）を除去し、エクソン（コード領域）を連結することで、成熟メッセンジャーRNA（mRNA）へと変換する分子生物学のプロセスである。核内コード遺伝子の場合、スプライシングは転写中または転写直後に核内で行われ、タンパク質に翻訳可能なmRNAの生成に不可欠である。スプライシングは、分子生物学のセントラルドグマである遺伝子発現における重要なステップである。
「イントロン」という用語は、遺伝子内のDNA配列と、未処理転写産物中の対応するRNAの両方を指す。イントロンは、ほとんどの生物および多くのウイルスの遺伝子（タンパク質、リボソームRNA、トランスファーRNAをコードするものを含む）に見られる。スプライシングが行われるためには、各イントロンに3つの必須配列要素、すなわち5'末端のドナーサイト、3'末端近くのブランチサイト、および3'末端のアクセプターサイトが含まれている必要がある。ドナーサイトはほぼ不変のGU配列を持ち、アクセプターサイトはほぼ不変のAGで終わる。AGの上流にはピリミジンに富む領域（ポリピリミジントラクト）があり、さらに上流にはブランチポイントがあり、スプライシング中のラリアット構造の形成に重要なアデニンヌクレオチドが含まれている。これらの要素の特異的な配列と、ブランチポイントとアクセプターサイト間の距離は、どのスプライス部位が選択されるかに影響を与える。DNAの点突然変異や転写エラーは、隠れスプライス部位を活性化し、成熟mRNAからエクソンの一部が欠失し、結果として欠失または短縮型タンパク質を生じる可能性がある。
ほとんどのスプライシングは、5つの低分子核内リボ核タンパク質（snRNP）からなる大きな複合体であるスプライセオソームによって触媒される。核内で活性を持つ主要スプライセオソームは、GU-AG境界を持つイントロンを処理し、段階的に集合する。まず、U1 snRNPが5'スプライス部位に結合し、スプライシング因子1がブランチポイントに結合し、U2AFタンパク質が3'スプライス部位とポリピリミジントラクトに結合する。次に、U2 snRNPがブランチポイントでSF1と置き換わる。U5、U4、U6 snRNPの三量体が加わり、続いてU1とU4が放出され、U6とU2が最初のエステル交換反応を触媒し、イントロンの5'末端からラリアットを形成する。5'部位での切断後、3'部位が切断され、ATP加水分解を用いてエクソンが連結される。スプライシングされたRNAが放出され、ラリアットは分解され、snRNPはリサイクルされる。この
Quick Facts
- Field
- Molecular biology
- Process type
- Post-transcriptional modification
- Catalyzed by
- Spliceosome (complex of snRNPs) or self-splicing ribozymes
- Splice site consensus
- GU at 5' end, AG at 3' end of intron
Facts from the source article.
背景と経緯
RNAスプライシングは、イントロンの構造と触媒に応じていくつかの経路で行われる。5つの低分子核内リボ核タンパク質（snRNP）から構成されるスプライセオソーム複合体は、ほとんどの真核生物のイントロンのスプライシングを触媒する。スプライセオソームの集合と活性は、pre-mRNAの転写中に行われる。主要スプライセオソームはGU-AG境界を持つイントロンをスプライシングし、一方、マイナースプライセオソームはAU-ACコンセンサス配列を持つ稀なイントロンを処理する。再帰的スプライシングは、非常に長いイントロンを段階的に除去し、最初にショウジョウバエのUltrabithorax遺伝子で発見された。トランススプライシングは、異なるRNA転写産物からのエクソンを結合する。
遺伝子発現における必須の役割
RNAスプライシングは、遺伝子の生の出力から機能的なタンパク質に至るまでの間で最も重要なステップの一つである。真核細胞が核内コード遺伝子を転写するとき、最初の産物は前駆体メッセンジャーRNAであり、コードエクソンの中に散在するイントロンと呼ばれる非コードセグメントをまだ含んでいる。これらのイントロンが除去され、エクソンが再結合されなければ、転写産物はタンパク質合成の鋳型として機能できない。このプロセスは通常、転写中または転写直後に核内で行われる。転写、スプライシング、翻訳という一連の流れ全体が、分子生物学者が遺伝子発現、いわゆるセントラルドグマと呼ぶものである。真核生物のイントロンの大部分は、その除去にスプライセオソームと呼ばれるタンパク質-RNA機械に依存しているが、魅力的な少数派は自己スプライシングリボザイムであり、タンパク質の助けなしに自身の除去を触媒するRNA分子である。どちらの場合でも、最終目標は同じ、すなわちリボソームの準備が整った、きれいで翻訳可能なmRNAである。
スプライセオソーム：段階的な分子組立ライン
スプライセオソームは、5つの低分子核内リボ核タンパク質から構築される巨大なRNA-タンパク質複合体であり、その集合は注意深く調整された一連の中間体を経て展開する。すべては複合体Eから始まり、ここでU1 snRNPがイントロンの5'ドナーサイトにあるGUジヌクレオチドに結合し、SF1がブランチポイントを認識し、U2AFタンパク質が3'アクセプター領域とポリピリミジントラクトに結合する。複合体Aでは、U2がブランチポイントでSF1と置き換わり、ATPを消費する。次にU4/U5/U6三量体が結合して複合体Bを形成し、U5は5'エクソンと接触し、U6はU2と対合する。Bへの移行に伴い、U1が放出され、U6が5'スプライス部位に再配置される。触媒の瞬間は複合体Cで訪れる。U4が放出され、U6/U2対がエステル交換反応を駆動し、5'イントロン末端をブランチアデニンに連結して特徴的なラリアットを形成すると同時に、5'接合部を切断する。最後に、Cでは3'部位が切断され、2つのエクソンが別のATP加水分解ラウンドを用いて連結され、スプライシングされたRNAとラリアットが放出され、snRNPはリサイクルされる。この標準的なラリアット経路は、すべてのスプライシング事象の99%以上を占める。
イントロンを読み解く：スプライス部位の構造とエラーの代償
イントロンという用語は、遺伝子内領域（intragenic region）とイントラシストロン（intracistron）の短縮形であり、遺伝子内の2つのエクソン間の位置を反映している。これらの非コードセグメントは驚くほど広く分布しており、ほとんどの生物と多くのウイルスの遺伝子に出現し、タンパク質コード遺伝子に限定されず、rRNA遺伝子やtRNA遺伝子にも存在する。各スプライセオソームイントロンは、正確な認識ランドマークのセットを持っている。すなわち、5'ドナーサイトのほぼ不変のGU、3'末端上流のシトシンとウリジンに富むポリピリミジントラクト、アクセプターサイトのほぼ不変のAG、そしてそのアクセプターから約20～50ヌクレオチド上流のブランチポイントアデニンである。ブランチポイントとアクセプター間の正確な間隔、およびこれらの要素の特異的なヌクレオチド組成は、機械がどのスプライス部位を選択するかに影響を与える。この感受性は実際の生物学的結果をもたらす。基礎となるDNAの単一の点突然変異、または転写エラーは、通常はサイレントな隠れスプライス部位を活性化する可能性がある。結果として、成熟mRNAはエクソン配列の一部が欠失し、本来は単一アミノ酸置換であるはずのものが、最終的なタンパク質の完全な欠失または短縮化に変わる。
標準経路を超えて：再帰的スプライシング、トランススプライシング、およびマイナースプライシング
すべてのイントロンが単純なGU-AGラリアット経路に従うわけではない。隣接配列がその標準的な規則から逸脱する場合、別個のマイナースプライセオソームが引き継ぎ、機能的に類似しているが異なるsnRNP（U11、U12、U4atac、U6atac）を使用し、主要経路とU5 snRNPを共有する。これらの稀なイントロンは、スプライシングの状況における小さいながらも重要な分枝を表している。もう一つの珍しい戦略は再帰的スプライシングであり、非常に長いイントロンが一度の通過で除去されるわけではない。代わりに、一部が最初に除去され、残りのセグメントが後続のラウンドでスプライシングされる。この現象は、ショウジョウバエ（Drosophila melanogaster）のUltrabithorax（Ubx）遺伝子で最初に記録され、他のいくつかのショウジョウバエ遺伝子でも確認されたが、その後ヒトでも同様の症例が報告されている。トランススプライシングはさらに別の変種であり、機械がイントロンまたはアウトロンを除去し、得られた配列を結合する。これらの代替経路は、スプライセオソームがその優雅さにもかかわらず、生命の樹全体に見られるはるかに多様なスプライシングツールキットの一面にすぎないことを強調している。