転移RNA

転移RNA (tRNA)

転移RNA（てんいアールエヌエー、英：transfer RNA、略称：tRNA）は、「運搬RNA」や「トランスファーRNA」とも呼ばれる小さなリボ核酸（RNA）分子です。かつては可溶性RNAを意味する「sRNA」と呼ばれたこともあります。tRNAの主要な役割は、生命活動において重要なプロセスであるタンパク質合成（翻訳）の際に、伝令RNA（mRNA）上に記された遺伝情報と、実際にタンパク質を構築するアミノ酸とを正確に結びつけることです。細胞内に存在するタンパク質合成装置であるリボソームにおいて、tRNAは特定のアミノ酸を運び込み、mRNAのコドン（3つのヌクレオチド配列）に対応する形でアミノ酸を次々と配置していきます。この仕組みにより、遺伝暗号が正確にアミノ酸配列へと変換され、機能的なタンパク質が作り出されるのです。

構造

tRNA分子は、一般的に76から90個程度のヌクレオチドで構成されており、その構造はいくつかの段階で捉えられます。一次構造は単なるヌクレオチド配列ですが、この配列が立体的な形に折り畳まれることで機能を発揮します。二次構造は、特徴的な「クローバー葉構造」として描かれることが多く、これはRNA鎖内の相補的な塩基対合によって形成される複数のステム（らせん部分）とループ（ステムに挟まれた一本鎖部分）からなります。主要な部分として、アミノ酸が結合するアクセプターステム、ジヒドロウリジンを含むDアーム、mRNAのコドンと対合するアンチコドンを含むアンチコドンアーム、そしてTΨC配列を含むTアームがあります。

さらに、クローバー葉構造は、全体として「L字型」の三次構造に折り畳まれます。このL字型は、リボソームの特定の部位に効率よく収まるように共通の構造をとっており、短い側がアクセプターステムとTアーム、長い側がDアームとアンチコドンアームによって構成されます。

特に重要な構造要素として、以下の部位が挙げられます。

5'末端リン酸基: tRNA分子の開始点に位置します。
アクセプターステム: 5'末端と3'末端のヌクレオチドが対合してできるステム部分で、L字型の短い腕を形成します。この先端にあるCCA配列にアミノ酸が結合します。
3'末端CCA尾部: tRNAの3'末端に必ず存在するシトシン-シトシン-アデニンという3つのヌクレオチド配列です。ここにアミノアシルtRNA合成酵素によって特定のアミノ酸が結合します。この配列は、酵素によるtRNAの認識や翻訳過程において極めて重要です。多くの場合、この配列は遺伝子から直接転写されるのではなく、tRNAが成熟する過程で酵素的に付加されます。
Dアーム: ジヒドロウリジンという修飾塩基を含むループと、それを支える短いステムで構成されます。L字型の長い腕の根元にあたります。
アンチコドンアーム: アンチコドンを含むループと、それを支えるステムで構成されます。L字型の長い腕の先端にあたります。
Tアーム: TΨC（チミン、シュードウリジン、シトシン）という特徴的な配列を含むループと、それを支える短いステムで構成されます。L字型の関節部分にあたります。

また、tRNA分子の多くの位置には、メチル化をはじめとする様々な化学修飾を受けた「修飾塩基」が存在します。これらの修飾は、tRNAの立体構造を安定させたり、特定のアミノアシルtRNA合成酵素による認識を助けたり、あるいはアンチコドンにおける塩基対合の特性を変化させたりと、tRNAがその機能を適切に果たす上で不可欠な役割を担っています。

アンチコドンと遺伝暗号

tRNAのアンチコドンは、mRNA上のコドンと相補的に結合する3つのヌクレオチド配列です。各種類のtRNAは固有のアンチコドンを持ち、これによって運ぶべきアミノ酸が決定されます。遺伝暗号には冗長性があり、多くのアミノ酸は複数の異なるコドンによって指定されます。そのため、同じアミノ酸を運ぶtRNAでも、異なるアンチコドンを持つ種類が存在します。

アンチコドンの最初の塩基（mRNAのコドンの3番目の塩基と対合する位置）には、しばしばイノシンなどの修飾塩基が存在し、これは「ゆらぎ（wobble）」と呼ばれる現象を可能にします。ゆらぎ塩基対合により、1種類のtRNAが複数のコドンを認識できるようになり、細胞が必要とするtRNAの種類数を減らすことができます。標準的な遺伝暗号でアミノ酸を指定するコドンは61種類ありますが、ゆらぎの存在により、多くの生物では61種類よりも少ないtRNAで全てのコドンを翻訳することが可能になっています。

アミノアシル化

アミノアシル化とは、特定のアミノ酸が対応するtRNAの3'末端CCA尾部に共有結合されるプロセスです。この反応は、アミノアシルtRNA合成酵素という酵素によって触媒されます。通常、各アミノ酸に対して1種類のアミノアシルtRNA合成酵素が存在し、この酵素が適切なアミノ酸とtRNA（アンチコドンだけでなく、アクセプターステムなども認識の目印となることが多い）を選び出して結合させます。

このアミノアシル化のプロセスは、タンパク質合成の正確性を保証する上で非常に重要です。近年の研究では、がん細胞や特定のウイルスがアミノアシル化の特定の経路に依存していることが示されており、アミノアシル化を阻害することが新たな疾患治療戦略として注目されています。

リボソームとの結合と翻訳

tRNAは、タンパク質合成が行われるリボソーム内で機能します。リボソームには、tRNAが結合する主要な部位としてA部位（アミノアシル）、P部位（ペプチジル）、E部位（出口）の3つがあります。翻訳の開始時には、最初のアミノ酸を運ぶtRNA（通常はメチオニン）がP部位に結合します。

翻訳が進行する伸長段階では、次に来るアミノ酸を結合したtRNAが伸長因子と複合体を形成し、まずリボソームのA部位に結合します。mRNA上のコドンとtRNAのアンチコドンが正確に相補的に対合することを確認した後、A部位に結合したアミノ酸と、P部位に結合しているtRNAが持つ成長中のポリペプチド鎖との間で新しいペプチド結合が形成されます。この反応により、ポリペプチド鎖はA部位のtRNAに移ります。

ペプチド結合形成後、リボソームはmRNA上を1コドン分移動します（トランスロケーション）。これにより、ポリペプチド鎖を持っていたA部位のtRNAがP部位へ、空になったP部位のtRNAがE部位へと移動します。E部位に移動したtRNAはリボソームから解離し、次のアミノアシルtRNAがA部位に結合する準備が整います。このサイクルが繰り返されることで、ポリペプチド鎖が伸長していきます。

tRNA遺伝子と進化

tRNAをコードする遺伝子の数は生物種によって大きく異なります。例えば、線虫や酵母では数百個のtRNA遺伝子が見られます。ヒトゲノムには、細胞質tRNA遺伝子が約500個、ミトコンドリアtRNA遺伝子が22個存在し、さらに機能しないとされる偽遺伝子や、核内に存在するミトコンドリアtRNAに類似した配列も見つかっています。

tRNA分子の構造、特にその「上半分」（アクセプターステムとTアーム）と「下半分」（Dアームとアンチコドンアーム）は、それぞれ独立した機能を持つユニットとして、進化の過程で別々に、あるいは段階的に形成された可能性が示唆されています（ゲノムタグ仮説）。また、tRNAやtRNA様の分子が、現代の細胞においてもリボザイム（触媒機能を持つRNA）として働くことから、RNAワールド時代からの「分子化石」と見なすこともあります。

ゲノムにおけるtRNA遺伝子の総数や、各アイソアクセプター（同じアミノ酸を運ぶtRNAの種類）のコピー数は、細菌、古細菌、真核生物のドメイン間で特徴的な違いがあり、特に真核生物で複雑性が増しています。特定のtRNA修飾酵素の進化と、特定のtRNA遺伝子のコピー数増加や、そのtRNAによって翻訳されるコドンの使用頻度には相関が見られ、翻訳効率の向上に関わっていると考えられています。一方で、進化の過程で特定のtRNA遺伝子を失った生物種もおり、そのような場合は「ウォブリング」によって不足を補いますが、翻訳エラーのリスクを高める可能性も指摘されています。

tRNA由来フラグメント (tRF)

近年、成熟したtRNAや前駆体tRNAが特定の酵素によって切断されて生じる、短いRNA断片である「tRNA由来フラグメント（tRF）」が注目されています。tRFにはいくつかの種類があり、RNA干渉、翻訳の調節、ストレス応答、さらにはがんやウイルス感染、代謝調節など、細胞内で多様な機能を持つことが明らかになってきています。tRFはヒトを含む様々な生物に存在し、特定の疾患状態や性別、人種によってそのパターンが変化することが報告されています。

生合成

真核細胞では、tRNAは主に核内でRNAポリメラーゼIIIによって前駆体tRNA（pre-tRNA）として転写されます。転写後、pre-tRNAは様々な成熟過程を経ます。これには、不要な配列（イントロン）の除去（スプライシング）、5'末端と3'末端の不要な配列の切断、そして3'末端へのCCA配列の付加などが含まれます。また、多くの修飾塩基がこの過程で導入されます。成熟したtRNAは核から細胞質へと輸送され、そこでアミノアシル化されてタンパク質合成に利用されます。

歴史

tRNAの存在は、1950年代にフランシス・クリックが「アダプター仮説」として予言したことに始まります。その後、ポール・ザメクニックらによって実際に発見され、運搬RNAと呼ばれるようになりました。1960年代には、いくつかの研究グループによってtRNAの立体構造に関する研究が進められ、ロバート・ホリーが最初のtRNAの一次構造を決定しました。1970年代にはX線結晶構造解析によって、そのクローバー葉構造やL字型の三次構造が詳細に明らかになりました。

学術分野では「転移RNA」という訳語が一般的に好んで用いられる傾向にありますが、高校教育などでは「運搬RNA」が使われることもあります。

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