5SリボソームRNA

5SリボソームRNA（5S rRNA）

5SリボソームRNA（5S rRNA）は、およそ120個のヌクレオチドから構成され、分子量は約40キロダルトン（kDa）という比較的小さなリボソームRNA分子です。このRNAは、地球上のほぼ全ての生物（細菌、古細菌、真核生物）のリボソームの大きなサブユニットにおいて、構造および機能の両面で重要な役割を担っています。しかし、例外的に菌類や動物のミトコンドリア内に存在するリボソームには含まれていません。その名前にある「5S」は、超遠心分離を行った際に観測される分子の沈降係数が約5スヴェドベリ（S）であることに由来しています。

生合成

5S rRNAの合成経路は、生物のドメインによって異なります。

原核生物: 細菌や古細菌では、5S rRNAをコードする遺伝子は、通常、他のリボソームRNA（小サブユニットの16S rRNAや大サブユニットの23S rRNA）の遺伝子と同じオペロン内に位置しており、これらのrRNAと共に単一の長い前駆体RNAとして転写されます。
真核生物: 真核生物の細胞核ゲノムには、5S rRNAの遺伝子（5S rDNA）が多数コピー存在しており、これらは特定の領域にタンデムリピートとして密集して配置されています。興味深いことに、真核生物の5S rRNAは、他のほとんどのリボソームRNAがRNAポリメラーゼIによって転写されるのに対し、RNAポリメラーゼIIIによって合成されます。アフリカツメガエルの卵母細胞を用いた研究では、9つの亜鉛フィンガー構造を持つ転写因子TFIIIAが5S rRNAの中央領域に結合することが示されています。このTFIIIAとの結合は、5S rRNA遺伝子のさらなる転写を抑制するだけでなく、合成された5S rRNA分子がリボソームの組み立てに用いられるまで安定化させる働きがあると考えられています。

構造

5S rRNAの二次構造は、特徴的なY字形を形成しており、これは5つのらせん構造（ヘリックスIからV）、4つのループ構造（ループBからE）、そして1つのヒンジ領域（ヒンジA）から構成されます。ループCとDは分子の片側で髪留めのようなヘアピン構造を作りますが、ループBとEはらせんの途中に位置するインターナルループです。進化系統学的な解析からは、ヘリックスIとIIIが比較的初期に形成された、より古い構造である可能性が示唆されています。ヘリックスIIIには、多くの種で非常によく保存されている2つのアデノシン塩基が存在します。ヘリックスVは分子のもう一つのヘアピン構造であり、真核生物においては転写因子TFIIIAが結合する部位と考えられています。

リボソーム内での位置

免疫電子顕微鏡法、化学的な分子間架橋実験、そして高分解能なX線結晶構造解析といった様々な分子生物学的手法を用いることで、リボソームの大サブユニット（LSU）内部における5S rRNAの precise な位置が極めて正確に特定されています。

原核生物: 細菌や古細菌のLSUは、5S rRNAと23S rRNAという2つの主要なRNA分子と、それに結合する多数のタンパク質で構成されています。
真核生物: 真核生物のLSUは、5S rRNA、5.8S rRNA、28S rRNAという3種類のRNAと、原核生物よりもさらに多くのリボソームタンパク質から成ります。

LSUの立体構造には、L1突出部、セントラル突出部（CP）、L7/L12スタックと呼ばれる3つの顕著な突出部が存在します。5S rRNAは、このうちセントラル突出部（CP）に配置されており、その形成と安定した構造維持に寄与しています。CPを構成する他の主要な要素としては、23S rRNA（真核生物では28S rRNA）と、L5、L18、L25、L27といった複数のリボソームタンパク質が挙げられます。

リボソームにおける機能

5S rRNAがリボソーム内で果たす exact な機能は、まだ完全には解明されていません。しかし、大腸菌（Escherichia coli）を用いた研究では、5S rRNAの遺伝子を欠損させるとタンパク質合成速度が低下し、細胞の生存能力や増殖において、他のrRNA遺伝子（16Sや23S）の同程度のコピー数欠損よりも深刻な悪影響を与えることが示されています。また、結晶構造解析の結果からは、5S rRNAに結合するタンパク質や、CP領域に存在する他のタンパク質群が、翻訳の際に重要な役割を担うtRNA（transfer RNA）の結合に深く関与していることが示唆されています。さらに、5S rRNAが23S rRNA（または28S rRNA）と位置的、物理的に近接していることは、リボソームの主要な機能部位であるペプチジル基転移中心やGTPアーゼ結合中心の形成に貢献していると考えられています。これらのことから、5S rRNAは、それに結合するタンパク質群やCP、大小サブユニットを繋ぐブリッジ、そしてtRNA結合部位の他の構成要素と共に、リボソームが持つ2つの重要な機能中心（ペプチジル基転移とGTPアーゼ活性）の間で、何らかの仲介役として機能している可能性が示唆されています。

リボソームの組み立てにおける役割

真核生物において、細胞質で機能するリボソームは、4種類のrRNAと80種類以上のタンパク質から複雑なプロセスを経て組み立てられます。5S rRNAは転写された後、その3'末端がRex1p、Rex2p、Rex3pといったエキソヌクレアーゼ（核酸分解酵素）によって切断され、成熟した形にプロセシングされます。リボソームの大小サブユニットは、核内で組み立ての初期段階を経てから細胞質へと輸送され、そこで最終的に結合して、タンパク質を合成する活性を持つ成熟した80Sリボソームとなります。5S rRNAがリボソームの組み立て経路のどの段階で正確に組み込まれるかについては、まだ議論が続いていますが、一般的には、リボソームタンパク質L5と結合したリボヌクレオタンパク質複合体（RNP）として、60S大サブユニットの前駆体である90S粒子へと組み込まれると考えられています。

タンパク質との相互作用

5S rRNAは、その機能や安定性のために、いくつかの重要なタンパク質と相互作用します。

Laタンパク質: 真核生物の細胞核に存在するLaタンパク質は、RNAポリメラーゼIIIによって転写される様々なRNA（5S rRNAを含む）と結合します。特に5S rRNAの3'末端にある短いウリジン（U）のリピート配列（オリゴウリジントラクト）を介して結合することで、RNAの安定性を高め、正確なフォールディングを助け、細胞質でのエキソヌクレアーゼによる分解から保護する役割を果たします。
L5タンパク質: 真核生物では、リボソームタンパク質L5が5S rRNAと結合し、これを安定化させます。この複合体はプレリボソームRNPとして、細胞質と核の両方に存在します。L5タンパク質が不足すると、5S rRNAが核へ適切に輸送されなくなり、結果としてリボソームの組み立てが低下します。
* 他のリボソームタンパク質: 原核生物の5S rRNAはL5、L18、L25といった複数のリボソームタンパク質と結合することが知られています。一方、真核生物の5S rRNAは主にL5と結合すると考えられています。アフリカ睡眠病の原因となるトリパノソーマ（Trypanosoma brucei）では、5S rRNAがP34とP37という2種類のRNA結合タンパク質と結合し、これらのタンパク質が欠失すると細胞内の5S rRNAレベルが全体的に低下することが報告されています。

細胞小器官のリボソームにおける存在

ミトコンドリアや葉緑体（色素体）といった細胞小器官は、かつて細菌が細胞内に共生したことに由来すると考えられており、これらの細胞小器官内の翻訳装置（リボソーム）は、細菌のリボソームと多くの共通点を持ちつつも、顕著な違いも存在します。細胞小器官のゲノムは、リボソームの小サブユニットと大サブユニットのrRNAをコードする遺伝子を例外なく持っていますが、5S rRNAをコードする遺伝子（rrn5）については事情が異なります。

ほとんどの色素体ゲノムではrrn5が容易に見つかります。しかし、ミトコンドリアにおいては、当初rrn5は植物や一部の原生生物に限られると考えられていました。その後、配列組成の偏りや構造的な変化といった情報を取り込んだ特殊な解析手法（共変化モデルなど）を用いることで、より多様な細胞小器官ゲノムから5S rRNAが同定されました。この解析により、ほとんどの原生生物のミトコンドリアゲノムに加え、病原性原生動物（トキソプラズマやコクシジウムなど）が持つ非光合成性色素体である特定のアピコプラストのゲノムにも5S rRNA遺伝子が存在することが明らかになりました。

ストラメノパイル類と呼ばれる原生生物群のミトコンドリア5S rRNAは、その二次構造が最も多様性に富んでいる例です。特に褐藻類に見られる置換型のミトコンドリア5S rRNAは極めて独特で、通常は分子の5'末端と3'末端が対合して形成されるヘリックスIが閉じたヘアピン構造に置き換わり、開いた3方向のジャンクション構造を形成しています。

現在の知見からは、限られたグループ、具体的には動物、菌類、アルベオラータ、ユーグレノゾアのミトコンドリアDNAのみが5S rRNAの遺伝子を欠いていることが示唆されています。通常、5S rRNAとそれに結合するタンパク質によって構成されるセントラル突出部（CP）構造は、これらの生物のミトコンドリアでは様々な形で再構築されています。例えば、菌類のミトコンドリアリボソームでは、5S rRNAの代わりに大サブユニットrRNAの拡張配列がその役割を担っています。ユーグレノゾアのキネトプラストでは、CPは進化的に新しく獲得されたミトコンドリアリボソームタンパク質によって構築されています。また、動物のミトコンドリアリボソームでは、失われた5S rRNAを補うように、特定のミトコンドリアtRNAが協調的にその機能の一部を担うように適応したと考えられています。

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