ADAR

ADARとは

ADAR（Adenosine Deaminase RNA specific、またはAdenosine Deaminase Acting on RNA）は、二本鎖RNAに特異的に作用するアデノシンデアミナーゼと呼ばれる酵素ファミリーです。ヒトではADAR遺伝子にコードされています。ADARは、二本鎖RNA（dsRNA）に結合し、ヌクレオチドであるアデノシン（A）の化学修飾、すなわち脱アミノ化によってイノシン（I）へと変換する役割を担います。

このAからIへの変換は、RNA編集として知られる転写後修飾の一種であり、RNAの塩基配列を変化させます。イノシンは構造的にグアノシン（G）に似ており、ウリジン（U）ではなくシトシン（C）と対合する性質を持ちます。また、翻訳時にはリボソームがイノシンをグアノシンとして認識することが一般的です。この編集によって、mRNAのコドンが変化し、結果として合成されるタンパク質のアミノ酸配列や機能が変わり、遺伝子産物の多様性や機能調節に寄与します。ただし、RNA編集部位の大部分は、翻訳されない領域（UTR）やAlu配列、LINEなどのノンコーディングRNA領域に存在することが知られています。

ADARはRNA編集の触媒活性に加え、他のRNA結合タンパク質との相互作用などを通じて、RNA編集とは異なるメカニズムでもトランスクリプトーム（細胞内の全RNA分子の集合）に影響を与える可能性があります。

発見の経緯

ADARとその遺伝子は、1987年にBrenda BassとHarold Weintraubによって偶然発見されました。彼らはアフリカツメガエル（Xenopus laevis）の胚を用いた実験で、アンチセンスRNAによる遺伝子阻害が胚発生に与える影響を調べていました。しかし、卵母細胞で成功したプロトコルが胚では機能せず、その原因を探るために卵母細胞と胚のdsRNAを比較した結果、胚では発生過程で制御される未知の活性によってRNAのハイブリッドが変性していることが明らかになりました。

1988年には、Richard Wagnerらがこの胚の活性についてさらに研究を進めました。彼らの実験から、この活性がタンパク質によるものであり、dsRNAに特異的に作用し、ATPを必要としないことが示されました。さらに、このタンパク質はdsRNAを完全に変性させるのではなく、再ハイブリダイゼーションを阻害するように修飾することが判明しました。最終的に、このRNAの巻き戻し効果が、アデノシンがイノシンに脱アミノ化されることによって引き起こされることが特定されました。この修飾によりウリジンとの間にミスマッチ対（I-U）が形成され、dsRNAの安定性が低下し、巻き戻しが促進されていたのです。

機能と進化

ADARによるRNAへの作用は、最も一般的なRNA編集の形態の一つであり、特定の配列を選択的に編集する場合と、配列に非選択的に作用する場合があります。イノシンがグアノシンとして解釈される仕組みを利用して、ADARは遺伝子産物の機能や発現量を調節します。近年では、ADARがその編集活性またはRNA結合機能を介して、選択的スプライシングの調節因子としても機能することが明らかになっています。

ADARは、全ての真核生物に存在するtRNAに作用するアデノシンデアミナーゼ（ADAT）という重要なタンパク質から、後生動物の進化の初期段階で遺伝子重複とdsRNA結合ドメインの獲得によって進化したと考えられています。ADARファミリー遺伝子は進化の過程で高度に保存されており、現代の多様な後生動物に広く存在することから、後生動物において必須の遺伝子調節因子としての役割を果たしていることが示唆されています。興味深いことに、植物、菌類、襟鞭毛虫などの後生動物以外の生物ではADARは見つかっていません。

ADARのタイプ

哺乳類には、ADARファミリーとしてADAR1、ADAR2、ADAR3の3つのタイプが存在します。ADAR1とADAR2は全身の多くの組織で発現していますが、ADAR3は主に脳組織に限定されています。ADAR1とADAR2はRNA編集の触媒活性を持つことが確認されていますが、ADAR3は触媒活性を持たないと考えられています。

ADAR1には、選択的スプライシングによって生じるADAR1p150とADAR1p110という二つの主要なアイソフォームがあります。ADAR1p110は主に核に局在しますが、ADAR1p150は核と細胞質の間を行き来し、細胞質に多く存在します。ADAR1とADAR2は、多くの共通する構造ドメインを持ち、発現パターンやdsRNAへの基質特異性も似ていますが、その編集活性には違いがあります。

触媒活性の詳細

生化学反応

ADARによるAからIへの変換は、加水分解的な脱アミノ化反応です。活性化された水分子がアデノシンの6位の炭素原子に求核攻撃を行い、水和中間体が形成されます。この中間体からアンモニアが脱離することで、イノシンが生成されます。

活性部位の構造

ヒトADAR酵素の活性部位は、N末端側の複数のdsRNA結合ドメイン（dsRBD）と、C末端側の触媒デアミナーゼドメインによって構成されます。dsRBDは保存されたα-β-β-β-α構造をとります。ADAR1には、Z-DNAやZ-RNAといった左巻き二本鎖構造に特異的に結合するZαおよびZβドメインが存在しますが、ADAR2やADAR3には存在しません。ADAR2の立体構造は結晶解析によって詳細に解明されています。酵素の触媒コアには、水分子と水素結合するグルタミン酸残基（E396）や、亜鉛イオンを配位するヒスチジン（H394）とシステイン残基（C451, C516）が存在します。亜鉛イオンは、脱アミノ化反応に用いる水分子を活性化する上で重要です。また、触媒コア内にはイノシトール6リン酸が結合しており、周囲のアルギニンやリジン残基の安定化に寄与しています。

二量体化

哺乳類において、ADAR1とADAR2による効率的なAからIへの編集には、ホモ二量体の形成が必要であると考えられています。しかし、ADAR3は二量体化しないことが示されています。RNAへの結合自体に二量体化が必要かについては、in vivoでの確固たる結論は得られていません。ただし、dsRNAに結合できない変異体でも二量体化が起こることから、二量体化は主にタンパク質間の相互作用に基づいている可能性が示唆されています。

モデル生物を用いた研究

ADARの機能研究にはモデル生物が広く活用されています。例えば、国際ノックアウトマウスコンソーシアムプログラムの一環として作出されたAdarコンディショナルノックアウトマウス系統では、ホモ接合体胚がほとんど発生しないか、誕生後すぐに死亡することが観察され、ADARが哺乳類の発生に必須であることが示されています。一方、ヘテロ接合体マウスでは目立った異常は確認されていません。

疾患との関連

エカルディ・グティエール症候群および両側性線条体壊死/ジストニア

ADAR1の遺伝子変異は、遺伝性の炎症性疾患であるエカルディ・グティエール症候群の原因遺伝子の一つとして知られています。この疾患は主に脳や皮膚に影響を及ぼし、ウイルス排除のために活性化されるインターフェロン誘導性遺伝子が異常に活性化されることで炎症が生じます。ADAR1の機能が失われたり変異したりするとdsRNAの安定性が保たれず、細胞がこれをウイルスRNAと誤認し、自己免疫応答が引き起こされると考えられています。Adarノックアウトマウスの致死性は、Zαドメインを持つADAR1のp150アイソフォームによって回復することが実験で示されています。ヒトのADAR1において、Zαドメイン内のP193A変異は、エカルディ・グティエール症候群だけでなく、両側性線条体壊死/ジストニアという重篤な神経疾患の原因となることが判明しており、左巻きZ-DNA/RNA構造の生物学的意義が強調されています。

HIV

ADAR1は、細胞がHIV感染に対抗する能力に対して、有利にも不利にも働きうることが示唆されています。ADAR1の発現レベルはHIV感染時に増加し、ウイルスのゲノムにAからG（イノシンとして認識されるため）への変異を導入することで、ウイルスの複製を阻害する可能性が研究で示されています。一方で、このようなADAR1による編集が、ウイルスの薬剤耐性につながる変異を生み出す可能性も指摘されています。

肝細胞がん

肝細胞がんの患者組織を用いた研究では、ADAR1が高頻度で過剰発現（アップレギュレーション）し、ADAR2が低頻度で発現低下（ダウンレギュレーション）していることが報告されています。これにより、肝細胞がんで見られるAからIへのRNA編集パターンの異常が生じ、この文脈ではADAR1ががん遺伝子として、ADAR2ががん抑制遺伝子として機能している可能性が示唆されています。ADARの発現バランスの崩れは、タンパク質をコードする領域の編集頻度を変化させ、がんの進行に関わる異常なタンパク質を生み出す可能性があります。ADAR1とADAR2の発現異常は、肝細胞がんの予後予測マーカーとなる可能性も考えられています。

メラノーマ

肝細胞がんとは対照的に、いくつかの研究ではADAR1の機能喪失がメラノーマの増殖と転移に関与している可能性が示されています。ADARはmiRNA（マイクロRNA）に作用し、その生合成、安定性、標的遺伝子との結合に影響を与えることが知られています。メラノーマにおいては、ADAR1が転写因子CREBによって発現抑制され、miRNAへの作用が低下することが示唆されています。例えば、ADAR1によって編集されるmiR-455-5pは、ADAR1の発現が低下すると未編集の形で存在し、がん抑制タンパク質であるCPEB1の発現を抑制することで、メラノーマの進行を促進することがin vivoモデルで示されています。

遺伝性対側性色素異常症

ADAR1遺伝子のG1007R変異や、遺伝子の切断を引き起こす変異などが、遺伝性対側性色素異常症の一部症例の原因である可能性が指摘されています。この疾患は、手足などの末端部に左右対称性の過剰な色素沈着を特徴とし、主に日本や中国の家系で見られます。

ウイルスに対する作用

抗ウイルス活性

ADAR1は、病原体やウイルスの侵入に応答して誘導されるインターフェロン誘導性タンパク質であり、細胞の自然免疫応答をサポートする役割を担うことが期待されています。これは、HCVレプリコン、リンパ球性脈絡髄膜炎ウイルス（LCMV）、ポリオーマウイルスなど、いくつかのウイルスに対して当てはまることが研究から示唆されています。

ウイルス活性化活性

一方で、ADAR1が特定の状況下でウイルスの増殖を促進する、すなわちウイルス活性化因子として機能することもあります。ADAR1によるAからIへの編集は、麻疹ウイルス、インフルエンザウイルス、LCMV、ポリオーマウイルス、D型肝炎ウイルス、HCVなど、多くのウイルスゲノムやその転写産物で見つかっています。これらのうち麻疹ウイルスは比較的詳細に研究されており、ADAR1がウイルスの複製を向上させることが示されています。これは、ウイルスRNAの編集に加えて、dsRNAによって活性化されるPKR（細胞の抗ウイルス機構の一つ）を阻害するという二つのメカニズムによって行われていると考えられています。ウイルス側が、自身の複製効率を高めるために、細胞の持つADAR1を選択的に利用し、宿主の抗ウイルス経路を抑制している可能性が指摘されています。

• ---

関連項目

• - RNA編集
• - ADARB1
• - Z-DNA

もう一度検索