リボヌクレアーゼH

リボヌクレアーゼH (RNase H)

リボヌクレアーゼH（英語: ribonuclease H、略称: RNase HまたはRNH）は、デオキシリボ核酸（DNA）とリボ核酸（RNA）が二重らせんを形成した特殊な構造、すなわちRNA:DNAハイブリッドにおいて、RNA鎖を選択的に加水分解する作用を持つエンドヌクレアーゼのファミリーです。特定の塩基配列に依存せずにRNA鎖の途中のホスホジエステル結合を切断し、その結果、切断箇所には3'ヒドロキシル基と5'リン酸基が生成されます。

この酵素ファミリーは、生命の三大ドメイン（細菌、古細菌、真核生物）のほぼ全ての生物に広く存在しており、細胞内の様々な重要な機能に関与しています。

分類と多様性

RNase Hファミリーは、進化の過程で大きく2つのグループ、すなわちRNase H1とRNase H2に分かれてきました。これらのグループは、切断する基質の種類や条件にわずかな違いがあります。ヒトを含む高等真核生物のゲノムには、H1とH2の両方のタイプをコードする遺伝子が存在します。興味深いことに、ヒトのRNase H2は、性質の異なる3つのサブユニット（触媒機能を持つサブユニットAと、構造的な役割を担うサブユニットB、C）からなるヘテロ三量体として機能します。これら3つのサブユニットのいずれかに変異が生じると、エカルディ・グティエール症候群（AGS）というまれな遺伝性疾患の原因となることが知られています。

H1とH2は生命の全てのドメインで見られますが、一部の原核生物には、H2と進化的に近縁なRNase HIIIと呼ばれる3番目のタイプが存在します。また、ヒト免疫不全ウイルス（HIV）のようなレトロウイルスが持つ多機能的な逆転写酵素の中にも、RNase H1と類似した構造と機能を持つドメインが含まれており、これはウイルスの増殖に不可欠な役割を果たします。

構造的特徴

RNase H酵素の基本的な構造は、中心にある5本のストランドからなるβシートが、周囲のαヘリックスによって囲まれたフォールド（特定の立体構造）をしています。すべてのRNase Hにおいて、アスパラギン酸とグルタミン酸の残基からなる、DEDDモチーフと呼ばれる保存されたアミノ酸配列が活性部位に存在します。これらのアミノ酸残基は、酵素反応に必要なマグネシウムイオン（Mg²⁺）などの二価カチオンと結合し、触媒作用に不可欠な役割を担います。

RNase H2は一般的にH1よりも大きく、より多くのヘリックスを持つ傾向があります。酵素の種類によってドメイン構成は多様ですが、原核生物型の一部と真核生物型の大部分のH1グループの酵素は、N末端に「ハイブリッド結合ドメイン」と呼ばれる小さなドメインを持っています。このドメインは、RNA:DNAハイブリッドへの結合を助け、酵素が基質を連続的に処理する能力（プロセシビティ）を高めると考えられています。

機能に関しても構造的な違いが見られます。原核生物のH1およびH2、そして一部のHIIIは単量体（一つのタンパク質分子）として働きますが、真核生物のH2酵素は常にヘテロ三量体として機能します。

レトロウイルスの逆転写酵素に含まれるRNase Hドメインの構造は、H1グループの酵素と非常に類似しています。

機能と機構

RNase Hの主な機能は、RNA:DNAハイブリッド中のRNA鎖を、3'ヒドロキシル基と5'リン酸基を残す形で切断することです。この切断反応は、「2金属イオン機構」と呼ばれるメカニズムによって触媒され、Mg²⁺やマンガンイオン（Mn²⁺）などの二価カチオンが直接的に関与します。

RNase Hは細胞内で多様な役割を担っています。真核生物では、RNase H1はミトコンドリアDNAの複製に関与することが知られています。また、H1とH2の両方のタイプが、ゲノムDNAに形成される特殊な構造であるRループの処理など、ゲノムの安定性を維持するための重要な働きに関わっています。さらに、RNase H2は、誤ってDNA鎖に取り込まれてしまったリボヌクレオチド（RNAの構成単位）を除去するDNA修復経路（リボヌクレオチド除去修復）においても中心的な役割を果たします。

原核生物や酵母のような下等真核生物では、これらの酵素のどちらか一方が欠損しても生存可能であることが多いですが、哺乳類のような高等真核生物では、H1とH2の両方が生存に必須であると考えられています。特に哺乳類の細胞核においては、RNase H活性の大部分はH2によって担われており、これがゲノムの安定性維持に極めて重要です。

各サブタイプの機能比較

RNase H1は、切断対象のRNA鎖が少なくとも連続する4つのリボヌクレオチドによってDNAと対を形成しているハイブリッド構造を必要とします。そのため、DNA鎖中に単独で存在するリボヌクレオチドを除去することはできません。このような性質から、DNA複製時に岡崎フラグメントのRNAプライマーを処理する主要な酵素ではないと考えられています。

RNase H2は、鎖中に単独で存在するリボヌクレオチドも切断できるという点でH1と異なります。原核生物のHIIはプロセシビティが低く、連続するリボヌクレオチド鎖を効率よく切断しますが、真核生物のH2はプロセシビティが高く、単独のリボヌクレオチドも連続するリボヌクレオチドも同等に効率よく切断します。この基質特異性の違いが、ゲノム中のリボヌクレオチド除去修復におけるH2の役割を可能にしています。

RNase HIIIは原核生物固有のタイプで、構造的にはH2に近いですが、基質選択性ではH1に類似した特徴を持ちます。

疾患との関連

ヒトのRNase H酵素の機能不全は、いくつかの疾患と関連しています。小規模な研究ではありますが、RNase H1の変異が、ミトコンドリア病の一種である慢性進行性外眼筋麻痺症候群（CPOM）の症状と関連する可能性が示唆されています。

より明確に疾患との関連が示されているのはRNase H2です。前述の通り、ヘテロ三量体であるヒトRNase H2のいずれかのサブユニット（RNASEH2A, RNASEH2B, RNASEH2C）の遺伝子に変異があると、小児期に重篤な神経・皮膚症状を呈するまれな遺伝性疾患、エカルディ・グティエール症候群（AGS）を引き起こします。AGSの症状は、先天性のウイルス感染症に酷似しており、これは病気のメカニズムとして、細胞内の異常な核酸構造が誤ってウイルス由来の核酸と認識され、免疫システムが過剰に反応し、I型インターフェロンが不適切に産生されることと関連しています。AGSは、RNase H2以外にも、核酸の代謝や修飾に関わる他の遺伝子（TREX1、SAMHD1など）の変異によっても引き起こされる、遺伝的に多様な疾患群です。

ウイルスにおける役割

RNase Hドメインは、レトロウイルス（HIVなど）やB型肝炎ウイルスのような、その生活環の一部で逆転写（RNAを鋳型にDNAを合成すること）を行うウイルスにおいて、ウイルスの逆転写酵素の一部として存在し、ウイルス複製に不可欠な役割を果たします。

例えばHIV-1の逆転写酵素（RT）は、ウイルスのRNAゲノムを二本鎖DNAに変換する過程で働きます。この過程は、まずRTの持つRNA依存性DNAポリメラーゼ活性によってRNA鋳型からDNAが合成され、RNA:DNAハイブリッドが形成されます。次に、このハイブリッド中のRNA鎖がRTに含まれるRNase Hドメインによって分解されます。最後に、RTのDNA依存性DNAポリメラーゼ活性によってもう一方のDNA鎖が合成され、最終的な二本鎖DNAゲノムが完成します。RNase Hの活性は、このRNA鎖分解ステップを担当しています。

RNase Hは、単にRNAを分解するだけでなく、ウイルスゲノムの特定の領域（ポリプリントラクト, PPT）のRNA断片を、新しいDNA鎖合成のためのプライマーとして残すという、非常に精密な切断も行います。このように、RNase H活性はウイルス増殖に必須であるため、HIV/AIDSをはじめとするレトロウイルス感染症の治療薬開発における有望な標的の一つと考えられています。現在、RTのDNAポリメラーゼ活性を標的とする薬剤は広く臨床で使われていますが、RNase H機能を特異的に阻害する薬剤はまだ実用化されていません。

応用

RNase Hは、そのRNA:DNAハイブリッド中のRNAのみを特異的に分解するという性質から、分子生物学の実験ツールとして広く利用されています。特に、大腸菌由来のRNase HIは市販されており、逆転写反応によって合成されたcDNAから元のRNA鋳型を除去する際によく使われます。また、特定のRNA配列に相補的な短いDNA断片（オリゴDNA）と組み合わせることで、標的RNA配列を特異的に分解するためにも利用されます。RNase HIIは、リボヌクレオチドが誤って取り込まれたDNA鎖にニック（一本鎖切断）を導入したり、岡崎フラグメントのRNAプライマー部分を除去するのに利用されます。さらに、超好熱古細菌由来の熱安定性RNase HIIは、PCRの一種であるrhPCR（RNase H依存型PCR）に応用されています。

歴史

リボヌクレアーゼHは、1969年にPeter Hausenの研究室で、子牛の胸腺抽出物中にRNA:DNAハイブリッド基質を分解する活性として初めて発見されました。このハイブリッド基質に対する特異性から、「リボヌクレアーゼH」と名付けられました。その後、大腸菌や、レトロウイルスの研究を通じて腫瘍ウイルスサンプルからもRNase H活性が見つかりました。

当初、真核生物と原核生物でRNase Hの命名法に混乱がありましたが、大腸菌の命名法に合わせて統一され、現在のように原核生物型をローマ数字（HI, HII, HIII）、真核生物型をアラビア数字（H1, H2）で表記するようになりました。RNase HIIIは、1999年に報告された比較的新しいサブタイプです。

真核生物のRNase H2の特性解析は、その細胞内での存在量の少なさなどから歴史的に困難でした。研究が進むにつれて、大腸菌のHIIとは異なり、複数のサブユニットから構成されることが示唆されました。特に酵母の研究では、H2Aサブユニットは同定されたものの単独では活性がなく、後に共精製によって他のサブユニット（H2B, H2C）が発見され、これらが活性に必須であることが明らかになりました。ヒトのRNase H2を構成する3つのサブユニットの遺伝子が最終的に同定されたのは、これらの遺伝子の変異がエカルディ・グティエール症候群の原因となることが判明した後でした。

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