シュードウリジン

シュードウリジン

シュードウリジン（英: pseudouridine）は、ウリジンというヌクレオシドの構造異性体であり、RNA分子に存在する100種類以上の化学修飾塩基の中で最も一般的で豊富に見出されるものです。ギリシャ文字のΨ（プサイ）や、時には英文字のQで略記されます。この分子の最大の特徴は、リボース糖とウラシル塩基をつなぐグリコシド結合が、通常のヌクレオシドにみられるC-N結合（リボースのC1位とウラシルのN1位）ではなく、C-C結合（リボースのC1位とウラシルのC5位）である点にあります。この独特な結合様式は、5-リボシルウラシルとも呼ばれるシュードウリジンに、標準的なウリジンよりも大きな回転自由度と立体構造の柔軟性を与えます。さらに、ウラシルのN1位に残った窒素原子は、余分な水素結合供与体として機能することができます。

RNA分子は、遺伝情報が転写された後、様々な化学修飾を受けることが知られています。これらの「転写後修飾」は、RNAの機能や挙動を細かく制御しており、遺伝子の発現調節において重要な役割を担っていると考えられています。シュードウリジル化は、このようなRNA修飾の一つであり、特定のウリジン残基がシュードウリジンへと変換されるプロセスです。この修飾は、tRNA、rRNA、snRNA、snoRNAといった様々な構造RNAに普遍的に存在し、近年ではタンパク質をコードするmRNAにも発見されています。シュードウリジンは、生物の全てのドメイン（真正細菌、古細菌、真核生物）に存在しており、最初に発見されたRNA修飾塩基でもあります。一部では「5番目のヌクレオチド」とも称され、例えば酵母のtRNAにおいては全体の約4%を占めるほど豊富です。シュードウリジル化は、RNAの安定性を高めたり、塩基スタッキングを強化したりすることで、RNAの機能発現に貢献しています。生物種が複雑になるほど、リボソームRNA（rRNA）におけるシュードウリジル化の程度が増加する傾向が観察されており、大腸菌では11個、酵母細胞質rRNAでは30個、ヒトrRNAでは約100個のシュードウリジンが存在します。これらの修飾は、rRNAやtRNAの局所的な構造を安定化し、翻訳の正確性やリボソームの機能維持を助けています。また、snRNAにおけるシュードウリジンは、スプライセオソームの機能調節に関与することが示されています。

さまざまなRNAでの役割

tRNA

tRNAにおけるシュードウリジンは普遍的に存在し、tRNAが適切な立体構造を取るのを助けています。特に、TΨCステムループなど、特徴的な構造モチーフの形成に関与します。Ψの独特な物理化学的性質は、標準的なウリジンでは不可能な構造安定化を実現します。翻訳時には、tRNAとrRNA、mRNAとの相互作用を円滑にし、特にアンチコドンステムループ（ASL）における安定性を高めることで、リボソームへの結合強度を増し、正確なコドン-アンチコドン対合を維持することに寄与します。これにより翻訳精度が向上する可能性がありますが、tRNAのシュードウリジル化は必ずしも細胞の生存に必須ではなく、アミノアシル化にも通常は必要とされません。

mRNA

近年、mRNAにもシュードウリジンが存在することが確認されました。mRNA中のシュードウリジンは、終止コドン（UAA, UGA, UAG）の機能に影響を与え、終止コドンのUがΨに修飾されると、一部で読み飛ばし（ナンセンスサプレッション）が促進されることが示唆されています。

rRNA

rRNA中のシュードウリジンは、リボソームの大小サブユニットに存在し、特定の領域（ドメインII, IV, Vなど）に集中しています。これらの修飾は、rRNA分子内およびrRNAとタンパク質の間の相互作用を安定化し、リボソームの適切な組み立てと機能維持に不可欠な役割を果たします。特に、翻訳時のmRNAデコーディングの速度や精度、そして校正機能に影響を与える可能性があります。

snRNA

真核生物のスプライセオソームを構成するsnRNAにもシュードウリジンは存在します。多くの場合、これらのΨ残基は進化的に保存されており、RNA-RNAまたはRNA-タンパク質間の相互作用に関与する領域に位置しています。snRNAの適切な構造形成と機能発現に寄与し、pre-mRNAのスプライシングプロセスに必要不可欠です。

シュードウリジンシンターゼ

シュードウリジル化は、RNAが合成された後に行われる転写後修飾であり、シュードウリジンシンターゼ（PUS）と呼ばれる酵素群によって触媒されます。PUSは生物の全てのドメインに存在し、そのRNA基質特異性や構造、反応機構は多様です。主なPUSファミリーとして、TruA、TruB、TruD、RluAなどが知られています。

TruAファミリー

TruAファミリーの酵素は、tRNA、snRNA、mRNAなど多様なRNAを修飾します。例として、核に存在するPUS1はtRNAやsnRNA（U2, U6）を修飾し、環境ストレス応答やRNAスプライシングに関与します。ミトコンドリアに特異的なPUS2はミトコンドリアtRNAを修飾し、細胞質とミトコンドリア双方でtRNAを修飾するPUS3は、不適切なフォールディングのtRNAに対する修飾能が低下する特徴を持ちます。

TruBファミリー

PUS4のみを含むファミリーで、ミトコンドリアと核に存在します。tRNAの保存性の高いU55部位を特異的に修飾します。PUS4は特定のRNA配列に対する結合ドメインを持っています。

TruDファミリー

TruDファミリーの酵素は多様なRNAを修飾しますが、基質認識機構には不明な点が多く残されています。PUS7はU2 snRNAや細胞質tRNAなどを修飾し、ヒートショック時には核から細胞質へ移行してmRNAのシュードウリジル化を増加させます。UGUAR配列の2番目のUを認識することが知られており、mRNAの安定性に関与する可能性が示唆されています。

RluAファミリー

RluAドメインを持つ酵素は、RNAの二次構造に対する形状認識に依存して基質を認識すると考えられています。PUS5はミトコンドリアのrRNAを修飾し、PUS6とPUS8（Rib2）は細胞質tRNAを修飾します。特にPUS8は、リボフラビン生合成に関わる別ドメインも持ちますが、両ドメイン間の相互作用は不明です。PUS9はミトコンドリアtRNAを修飾し、PUSの中では珍しくミトコンドリア局在シグナルを持ちます。

シュードウリジン検出技術

シュードウリジンを同定するためには、液体クロマトグラフィー/質量分析（LC/MS）や、CMC（N-cyclohexyl-N′-β-(4-methylmorpholinium)ethylcarbodiimide）を用いた化学的標識法などがあります。LC/MSは分子の質量と電荷を利用して分離・同定し、CMC法はシュードウリジンの特定の部位に化学的に結合し、アルカリ処理後も結合が維持される性質を利用して特異的に検出・定量する方法です。CMC法はハイスループット化に向けた研究も進んでいます。

医学的関連

シュードウリジンによる修飾は、RNAの構造安定性向上や塩基スタッキング強化など、生物学的機能の基盤となる重要な効果をもたらします。tRNAやrRNA中の特定のシュードウリジン修飾の欠損は、翻訳効率の低下や細胞増殖の遅延を引き起こすことがあります。また、シュードウリジン修飾の異常は、乳酸アシドーシスと鉄芽球性貧血を伴うミトコンドリアミオパチー（MLASA）や、先天性角化異常症、Hoyeraal-Hreidarsson症候群といったヒトの疾患との関連が示唆されています。特に、先天性角化異常症などは、シュードウリジンシンターゼであるジスケリンをコードするDKC1遺伝子の変異によって引き起こされることが知られています。ミトコンドリアDNAの点変異が特定のtRNA部位のシュードウリジル化を妨げ、tRNAの不安定化やミトコンドリア機能障害を引き起こすミトコンドリア糖尿病（MIDD）の発症にも、シュードウリジン修飾が関与していることが示されています。さらに、シュードウリジンは、ヒト免疫不全ウイルス（HIV）の潜伏感染の調節因子としての役割も指摘されています。

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