Pre-mRNA スプライシング

pre-mRNAスプライシング

遺伝情報はDNAからRNAに転写されますが、真核生物の場合、この転写によって最初に作られるRNA前駆体（pre-mRNA）には、タンパク質のアミノ酸配列を定めるエクソンと、それ以外の翻訳に不要な介在配列であるイントロンが混在しています。正常なタンパク質を合成するためには、この不要なイントロンを正確に取り除き、エクソンのみを正しい順番で連結する必要があります。この過程をpre-mRNAスプライシングと呼びます。これは遺伝子そのものであるDNAに変更を加えるのではなく、一時的な媒体であるRNA前駆体に対して行われる編集作業であり、セントラルドグマにおける重要なステップの一つです。

スプライシングの対象と反応部位

pre-mRNAスプライシングがどこで行われるかを知るには、イントロンの特徴的な構造を理解することが不可欠です。スプライシング反応に関わる主要な配列エレメントは3つあります。

5'-スプライス部位: イントロンの開始地点、エクソンとの境界に位置します。
3'-スプライス部位: イントロンの終了地点、エクソンとの境界に位置します。
分岐部位: 3'-スプライス部位から数十塩基上流にある特定の位置です。

これらの部位には、生物種間で共通性の高い特徴的な塩基配列が見られます。これをコンセンサス配列と呼びます。特に、5'-スプライス部位の「GU」、3'-スプライス部位の「AG」、分岐部位の「A」は非常に高度に保存されており、これらのコンセンサス配列を持つイントロンは「GU-AGイントロン」と呼ばれ、最も一般的です。分岐部位から3'-スプライス部位の間には、しばしばピリミジン塩基が連続するポリピリミジン配列が存在します。

核内mRNA前駆体のイントロン以外にも、様々な種類のイントロンが知られており、存在するRNAの種類や生物によって異なります。例えば、AU-ACイントロン、グループI・II・IIIイントロン、ツイントロン、tRNA前駆体イントロン、古細菌のイントロンなどが存在します。

スプライシングの中心的機構：スプライソソーム

pre-mRNAスプライシングの大部分は、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実行されます。スプライソソームは、約150種類のタンパク質と5種類の核内低分子RNA（snRNA：U1, U2, U4, U5, U6）から構成されており、特にRNAがその中心的な触媒機能を担うという特徴があります。これらのsnRNAは数個のタンパク質と複合体を形成しており、これを核内低分子リボ核タンパク質（snRNP：スナープ）と呼びます。スプライシングの過程で、これらのsnRNPは順次pre-mRNA前駆体に結合・解離を繰り返し、それぞれの役割を果たします。

各snRNPの主な役割は以下の通りです。

U1 snRNP: 5'-スプライス部位のコンセンサス配列を認識し、結合します。これは初期複合体の形成に関わります。
U2 snRNP: 分岐部位に結合し、分岐部位のA塩基を反応可能な状態に露出させます。また、スプライシング反応の活性部位を形成するU6 snRNPと相互作用します。
U4 snRNP: スプライシングが活性化されるまでU6 snRNPと結合し、その活性を抑制・保護する役割を果たします。反応開始時に解離します。
U5 snRNP: イントロン両側のエクソンと相互作用し、第二反応に必要なエクソン同士の接近を促進します。
U6 snRNP: U1 snRNPの後に5'-スプライス部位に結合し、U2 snRNPと共にスプライシング反応の触媒活性部位を形成します。

これらのsnRNPがpre-mRNA上で段階的に集合し、複合体を形成・再編成することで、正確なスプライシングが実行されます。

スプライシングの反応過程

pre-mRNAスプライシングは、2回のエステル転移反応（リン酸ジエステル結合の組み換え）によって進行します。この反応により、イントロンはpre-mRNAから切り離され、エクソン同士が連結されます。

1. 第一のエステル転移反応: 分岐部位に存在するアデニンの2'炭素上の水酸基（2'-OH）が、5'-スプライス部位のリン酸基を攻撃します。この求核攻撃により、5'側エクソンとイントロンの間のホスホジエステル結合が切断されます。同時に、イントロンの遊離した5'末端は分岐部位のアデニンと結合し、投げ縄のような環状構造（ラリアット構造）を形成します。
2. 第二のエステル転移反応: 第一反応で遊離した5'側エクソンの3'炭素上の水酸基（3'-OH）が、3'-スप्लाईス部位のリン酸基を攻撃します。この反応により、イントロンと3'側エクソンの間のホスホジエステル結合が切断され、同時に5'側エクソンと3'側エクソンが連結されます。結果として、成熟したmRNAが完成し、不要となったイントロンはラリアット構造として遊離します。

スプライシングの正確性を保つ機構

スプライシングは非常に正確に行われる必要がありますが、特にイントロンはエクソンに比べて非常に長く、正しいスプライス部位を見つけ出すのは容易ではありません。誤ったスプライシングは、機能しないタンパク質の合成や病気の原因となります。

スプライソソームは、いくつかの仕組みによって正確性を高めています。

段階的な複合体形成: スプライソソームは、初期複合体（E複合体）、A複合体、B複合体、C複合体へと段階的に編成替えを行います。各段階が正しく進行しないと次のステップに進まないため、誤った部位での反応を防ぎます。
転写との協調: 遺伝子を転写するRNAポリメラーゼIIは、スプライシングに関わる因子と連携しています。転写されたばかりの5'-スプライス部位にスプライシング因子が速やかに結合することで、下流の誤った部位との結合を防ぎ、正しいパートナー（3'-スプライス部位）との相互作用を促進します。
SRタンパク質とESE: エクソン内にある特定的配列（エクソンスプライシングエンハンサー：ESE）にSRタンパク質が結合することで、近くにある正しいスプライス部位にスプライソソーム構成要素（U1 snRNPやU2AFタンパク質など）を呼び寄せ、活性を強化します。これにより、配列が似ているだけの誤った「隠れたスプライス部位」が利用されるのを防ぎます。

スプライシングの多様な様式

大部分のpre-mRNAスプライシングはスプライソソームによって行われますが、例外的な様式も存在します。

自己スプライシング型イントロン: 一部のイントロンは、スプライソソームを必要とせず、イントロン自らが特定の立体構造を形成し、自身の切り出し反応を触媒します。これはRNAの触媒機能（リボザイム）の一例です。グループIとグループIIの2種類があり、反応メカニズムに違いが見られます（グループIは遊離のGヌクレオチドを利用、グループIIは分岐部位のAを利用しラリアット構造を形成）。
選択的スプライシング: 1つのpre-mRNAから、異なるエクソンの組み合わせを持つ複数の成熟mRNAが作られる現象です。これにより、1つの遺伝子から機能の異なる複数のタンパク質（スプライスバリアント）が生成されます。発生段階や組織、環境に応じてスプライシングパターンが制御されることで、遺伝子の多様な機能発現が可能になります。
トランススプライシング: 通常は同じRNA分子内のイントロンが除去されますが、異なるRNA分子上のエクソン同士が結合する特殊なスプライシングです。一部の原虫や線虫などで見られます。この場合、排出されるイントロンはY字型になります。

これらの多様なスプライシング機構によって、生命は限られた遺伝情報から最大限の機能的分子を生み出しています。

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