転写後修飾
遺伝子にコードされた情報は、まずRNAへと「転写」されます。この転写によって最初に作られるRNA分子を「一次転写産物」と呼びます。しかし、この一次転写産物は多くの場合、そのままでは機能を発揮できません。成熟した機能的なRNA分子となるためには、様々な化学的な変化、すなわち転写後修飾を受ける必要があります。この過程は真核細胞において広く見られ、RNAが細胞核を離れて細胞質のリボソームでタンパク質合成に関わったり、他の細胞内機能を持ったりするために不可欠です。転写後修飾には多様な種類があり、それぞれ異なる分子機構によって実行されます。
おそらく最もよく知られている転写後修飾の例は、タンパク質合成の鋳型となるmRNA（メッセンジャーRNA）の前駆体（pre-mRNA）が、翻訳可能な成熟mRNAへと変換される過程でしょう。このmRNAのプロセシングには、RNA分子の構造を大きく変える三つの主要な段階が含まれます。それは、分子の開始側（5'末端）への5'キャップの付加、終端側（3'末端）へのポリアデニル化（ポリ(A)テールの付加）、そしてRNA分子の中から不要な配列を取り除くRNAスプライシングです。これらの段階は、通常、RNAが翻訳される前の段階、細胞核の中で完了します。
真核生物のゲノムにコードされた遺伝子を正確にタンパク質へと翻訳するためには、こうしたプロセシングが必須です。なぜなら、転写によって生成されるpre-mRNAの多くは、タンパク質の設計情報を含む「エクソン」と、タンパク質に翻訳されない「イントロン」という配列の両方を含んでいるからです。
RNAスプライシングは、このイントロン配列を正確に切り出し、残ったエクソン配列同士を直線的に連結する働きをします。これにより、タンパク質合成に必要な情報のみが連続した一本の鎖としてつながります。一方、5'キャップと3'末端のポリ(A)テールは、成熟したmRNAが細胞質へとスムーズに輸送されるのを助け、また、細胞内の酵素（リボヌクレアーゼ）による分解からmRNAを保護する役割を担います。
5'末端のプロセシング（キャップ形成）
pre-mRNAの5'末端にキャップ構造が付加される過程では、まず5'末端からリン酸が一つ取り除かれ、二リン酸の状態になります。次に、酵素の働きにより、この二リン酸末端にGTP分子が結合し、特徴的な5'–5'三リン酸結合が形成されます。さらに別の酵素が、このグアノシン環にメチル基を転移させ、7-メチルグアノシン（m7G）が結合したcap 0構造が完成します。m7Gに隣接するヌクレオチドのリボースがメチル化されるとcap 1、さらに下流のヌクレオチドもメチル化されるとcap 2などの構造が作られます。これらのメチル化はリボースの2'位のOH基で起こります。このキャップ構造は、5'末端を分解から守る重要な目印となります。
3'末端のプロセシング（切断とポリアデニル化）
pre-mRNAの3'末端のプロセシングでは、まず特定の場所でRNA鎖が切断され、そこに約250個のアデニン残基が連なったポリ(A)テールが付加されます。この切断とアデニル化の反応は、pre-mRNA分子の3'末端近くに存在する特定の配列パターン（例: AAUAAAやCA、GUに富む配列など）が認識されることで開始されます。これらの配列エレメントが合成されると、複数のタンパク質因子が結合し、複合体を形成します。この複合体が指示された位置でRNA鎖を切断し、その後、ポリ(A)ポリメラーゼという酵素がATPを材料として3'末端にアデニン残基を次々と結合させてポリ(A)テールを合成します。ポリ(A)テールが完成すると、ポリ(A)結合タンパク質が結合し、3'末端を分解から保護します。
RNAスプライシング
RNAスプライシングは、pre-mRNAからイントロン領域を除去し、残ったエクソン領域同士を正確に連結して、連続した一本の分子へと再構築する過程です。エクソンは主にタンパク質に翻訳される情報を含む領域であり、mRNAのコーディング領域を構成します。多くのスプライシング反応は、pre-mRNA全体の合成と5'末端のキャッピングが完了した後で起こりますが、複数のエクソンを持つ長い転写産物では、転写が進行しながら同時にスプライシングが始まることもあります。このスプライシング反応は、スプライソソームと呼ばれる巨大な分子複合体によって触媒されます。スプライソソームは、様々なタンパク質と、pre-mRNA上のスプライシングに必要な部位を認識する核内低分子RNAから構成されています。興味深いことに、多くのpre-mRNAは、複数の異なる方法でスプライシングを受けることがあります。これにより、一つの遺伝子から異なる配列を持つ複数の成熟mRNAが生成され、結果として多様な種類のタンパク質が生み出されます。この現象は選択的スプライシングと呼ばれ、限られたDNA情報から細胞の機能的多様性を生み出す重要なメカニズムです。
転写後修飾は、mRNAの前駆体だけでなく、tRNA（転移RNA）やrRNA（リボソームRNA）、その他の種類のRNA分子がその機能を発揮できるようになるためにも行われます。
また、一部のRNA分子では、一般的なmRNAとは異なる特殊なプロセシングが見られます。例えば、コアヒストン（H2A, H2B, H3, H4）をコードするmRNAは、通常ポリ(A)テールやイントロンを持たず、一般的なスプライシングも行われません。これらのmRNAの3'末端のプロセシングは、特別なステムループ構造が特定のタンパク質に認識され、別の分子群の関与によって切断されるという独自の機構で行われます。一方、ヒストンバリアント（H2A.Z, H3.3など）のmRNAはイントロンを持ち、一般的なmRNAと同様にスプライシングやポリアデニル化を受けます。このように、RNAの種類によって必要とされる機能に応じた多様な転写後修飾が存在します。
転写後修飾は、遺伝子情報が実際に細胞機能として現れるまでの過程、すなわち遺伝子発現の制御において極めて重要な段階を担っています。
おそらく最もよく知られている転写後修飾の例は、タンパク質合成の鋳型となるmRNA（メッセンジャーRNA）の前駆体（pre-mRNA）が、翻訳可能な成熟mRNAへと変換される過程でしょう。このmRNAのプロセシングには、RNA分子の構造を大きく変える三つの主要な段階が含まれます。それは、分子の開始側（5'末端）への5'キャップの付加、終端側（3'末端）へのポリアデニル化（ポリ(A)テールの付加）、そしてRNA分子の中から不要な配列を取り除くRNAスプライシングです。これらの段階は、通常、RNAが翻訳される前の段階、細胞核の中で完了します。
真核生物のゲノムにコードされた遺伝子を正確にタンパク質へと翻訳するためには、こうしたプロセシングが必須です。なぜなら、転写によって生成されるpre-mRNAの多くは、タンパク質の設計情報を含む「エクソン」と、タンパク質に翻訳されない「イントロン」という配列の両方を含んでいるからです。
RNAスプライシングは、このイントロン配列を正確に切り出し、残ったエクソン配列同士を直線的に連結する働きをします。これにより、タンパク質合成に必要な情報のみが連続した一本の鎖としてつながります。一方、5'キャップと3'末端のポリ(A)テールは、成熟したmRNAが細胞質へとスムーズに輸送されるのを助け、また、細胞内の酵素（リボヌクレアーゼ）による分解からmRNAを保護する役割を担います。
5'末端のプロセシング（キャップ形成）
pre-mRNAの5'末端にキャップ構造が付加される過程では、まず5'末端からリン酸が一つ取り除かれ、二リン酸の状態になります。次に、酵素の働きにより、この二リン酸末端にGTP分子が結合し、特徴的な5'–5'三リン酸結合が形成されます。さらに別の酵素が、このグアノシン環にメチル基を転移させ、7-メチルグアノシン（m7G）が結合したcap 0構造が完成します。m7Gに隣接するヌクレオチドのリボースがメチル化されるとcap 1、さらに下流のヌクレオチドもメチル化されるとcap 2などの構造が作られます。これらのメチル化はリボースの2'位のOH基で起こります。このキャップ構造は、5'末端を分解から守る重要な目印となります。
3'末端のプロセシング（切断とポリアデニル化）
pre-mRNAの3'末端のプロセシングでは、まず特定の場所でRNA鎖が切断され、そこに約250個のアデニン残基が連なったポリ(A)テールが付加されます。この切断とアデニル化の反応は、pre-mRNA分子の3'末端近くに存在する特定の配列パターン（例: AAUAAAやCA、GUに富む配列など）が認識されることで開始されます。これらの配列エレメントが合成されると、複数のタンパク質因子が結合し、複合体を形成します。この複合体が指示された位置でRNA鎖を切断し、その後、ポリ(A)ポリメラーゼという酵素がATPを材料として3'末端にアデニン残基を次々と結合させてポリ(A)テールを合成します。ポリ(A)テールが完成すると、ポリ(A)結合タンパク質が結合し、3'末端を分解から保護します。
RNAスプライシング
RNAスプライシングは、pre-mRNAからイントロン領域を除去し、残ったエクソン領域同士を正確に連結して、連続した一本の分子へと再構築する過程です。エクソンは主にタンパク質に翻訳される情報を含む領域であり、mRNAのコーディング領域を構成します。多くのスプライシング反応は、pre-mRNA全体の合成と5'末端のキャッピングが完了した後で起こりますが、複数のエクソンを持つ長い転写産物では、転写が進行しながら同時にスプライシングが始まることもあります。このスプライシング反応は、スプライソソームと呼ばれる巨大な分子複合体によって触媒されます。スプライソソームは、様々なタンパク質と、pre-mRNA上のスプライシングに必要な部位を認識する核内低分子RNAから構成されています。興味深いことに、多くのpre-mRNAは、複数の異なる方法でスプライシングを受けることがあります。これにより、一つの遺伝子から異なる配列を持つ複数の成熟mRNAが生成され、結果として多様な種類のタンパク質が生み出されます。この現象は選択的スプライシングと呼ばれ、限られたDNA情報から細胞の機能的多様性を生み出す重要なメカニズムです。
転写後修飾は、mRNAの前駆体だけでなく、tRNA（転移RNA）やrRNA（リボソームRNA）、その他の種類のRNA分子がその機能を発揮できるようになるためにも行われます。
また、一部のRNA分子では、一般的なmRNAとは異なる特殊なプロセシングが見られます。例えば、コアヒストン（H2A, H2B, H3, H4）をコードするmRNAは、通常ポリ(A)テールやイントロンを持たず、一般的なスプライシングも行われません。これらのmRNAの3'末端のプロセシングは、特別なステムループ構造が特定のタンパク質に認識され、別の分子群の関与によって切断されるという独自の機構で行われます。一方、ヒストンバリアント（H2A.Z, H3.3など）のmRNAはイントロンを持ち、一般的なmRNAと同様にスプライシングやポリアデニル化を受けます。このように、RNAの種類によって必要とされる機能に応じた多様な転写後修飾が存在します。
転写後修飾は、遺伝子情報が実際に細胞機能として現れるまでの過程、すなわち遺伝子発現の制御において極めて重要な段階を担っています。
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