5'キャップ

5'キャップとは

5'キャップとは、真核生物の細胞質mRNAの5'末端に見られる特有の修飾構造です。この構造は、mRNAの安定性、核外への輸送、翻訳開始など、mRNAの成熟と機能に不可欠な役割を果たしています。ミトコンドリアや葉緑体のmRNAには、このキャップ構造は見られません。

構造

5'キャップの最も特徴的な構造は、mRNAの5'末端にグアノシンが三リン酸結合を介して結合している点です。この結合は通常とは異なる5'-5'結合であり、さらにグアノシンのグアニン塩基の7位がメチル化されているため、7-メチルグアニル酸（m7G）キャップとも呼ばれます。

多細胞生物や特定のウイルスでは、この基本的なcap-0構造に加え、mRNAの最初の1つまたは2つのリボースの2'位がメチル化されることがあります。最初の1つがメチル化されたものをcap-1、最初の2つがメチル化されたものをcap-2と呼びます。

また、snRNA（低分子核内RNA）は、特殊なキャップ構造を持っています。例えば、SmRNAはトリメチルグアノシンキャップ、LsmRNAはモノメチルリン酸キャップを有しています。

機能

5'キャップは、以下のような重要な機能を持っています。

核外への輸送の制御：キャップには、キャップ結合複合体（CBC）が結合します。この複合体が核膜孔複合体に認識されることで、mRNAは核外へと輸送されます。
エキソヌクレアーゼによる分解の抑制：5'キャップは、RNAの5'端の水酸基をブロックし、5'→3'エキソヌクレアーゼに対する抵抗性を高めます。キャップ結合複合体も5'末端を遮蔽し、mRNAの分解を抑制します。
翻訳の促進：キャップ結合複合体は、翻訳開始因子と置き換わることで、mRNAの翻訳を促進します。
スプライシングの促進：5'キャップは、mRNAの最も5'端に近いイントロンのスプライシングを促進する役割も担っています。

形成

5'キャップは、RNAポリメラーゼII（polII）がmRNAを転写し始めると、転写終了前に以下の過程を経て付加されます。キャッピング酵素複合体がpolIIに結合しており、効率的なキャッピングを可能にしています。

1. RNAトリホスファターゼによるリン酸基の除去：合成中のRNAの5'末端の三リン酸から、リン酸基が1つ取り除かれます。（5'(ppN)[pN]n）
2. mRNAグアニリル転移酵素による5'-5'結合の形成：GTPからピロリン酸が取り除かれ、RNA末端とグアノシンの間に三リン酸結合が形成されます。（5'(Gp)(ppN)[pN]n）
3. mRNAグアニンN7メチル基転移酵素によるグアニンのメチル化：グアニンのN7原子がメチル化されます。メチル基はS-アデノシルメチオニンに由来します。（5'(m7Gp)(ppN)[pN]n：cap-0）
4. リボースのメチル化：場合によっては、RNA末端の1つまたは2つのリボースがメチル化され、cap-1/cap-2が形成されます。
5. アデニン塩基のメチル化：RNA末端がアデニン塩基の場合、N6原子もメチル化されることがあります。

除去

盛んに翻訳が行われているmRNAの場合、翻訳開始因子がキャップを保護しているため、キャップの除去は起こりにくいです。しかし、能動的にキャップを除去する様々な機構も存在します。キャップ除去酵素によってキャップ構造が除去されると、5'リン酸末端が生じ、エキソヌクレアーゼによる分解が可能になります。このキャップ除去は、mRNAの分解と密接に関わっており、細胞内でのmRNAの寿命を制御する重要なメカニズムです。

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