Pre-tRNA スプライシング

pre-tRNAスプライシング

pre-tRNAスプライシングとは、遺伝情報から転写されたtRNAの前駆体分子（pre-tRNA）に含まれるイントロンと呼ばれる配列を除去する、遺伝子発現過程における重要なステップです。この反応は幅広い生物種に見られますが、その実行機構は生物の系統によって大きく異なります。

例えば、バクテリアに存在するpre-tRNAイントロンは、自らの構造のみで触媒作用を発揮して切断される自己スプライシングイントロンであることが知られています。一方、古細菌では、特定のヌクレアーゼによってイントロンが切り出される方式が一般的です。中でも、真核生物である出芽酵母のpre-tRNAスプライシング機構が最も詳細に解析されており、特定の酵素群が連携して機能する、より複雑な過程を経て行われます。

酵母におけるpre-tRNAスプライシング

出芽酵母のtRNA遺伝子の約2割にはイントロンが存在し、その全てがtRNA分子のアンチコドンループと呼ばれる領域に挿入されています。このイントロンの認識と除去は、4つのサブユニットからなるエンドヌクレアーゼという酵素複合体によって担われます。このヌクレアーゼはATPを消費せずにイントロンを特異的に切断します。一般的には核膜の内膜に局在して機能すると考えられてきましたが、近年ではミトコンドリア膜や細胞質での活性も示唆されており、その正確な機能場所については議論が続いています。

興味深いことに、このエンドヌクレアーゼによるイントロンの認識は、イントロン周辺の一次配列よりも、pre-tRNA全体が形成する立体構造に大きく依存していると考えられています。この点は、多くのmRNAスプライシングに関わるスプライセオソームによるイントロン認識機構とは異なる特徴です。

エンドヌクレアーゼによってイントロンが切り出された後、残されたエクソン（機能的な配列）の末端は、5'側が5'-OH、3'側が2',3'-P（サイクリックリン酸）という特殊な構造になります。これらの末端が連結可能な形になるためには、さらにいくつかの酵素反応が必要です。

まず、サイクリックフォスフォジエステレースがATPを利用して2',3'-Pを切断し、3'側に3'-OH、連結部位の2'側に2'-Pを生成します。次に、カイネースが5'末端のOH基にリン酸基を付加し、5'-Pとします。ここで、5'-Pと3'-OHという一般的なリン酸ジエステル結合形成に適した末端構造が揃い、tRNAライゲースによって2つのエクソン断片が連結されます。しかし、この時点では連結部位の2'側にリン酸基が残ったままです。最終的に、2'-フォスフォトランスフェレースがこの余剰な2'-P基をNAD+に転移させることで、すべての反応が完了し、成熟したtRNA分子が完成します。

その他の生物種と関連機構

古細菌におけるイントロンの位置は酵母ほど規則的ではありませんが、スプライスサイトの構造にはある程度の保存性が見られ、これがイントロン認識に関わると推測されています。また、脊椎動物では、酵母のような多段階を経ずに、5'-OHと2',3'-Pを直接連結する経路も存在することが知られています。

さらに、酵母で見られるpre-tRNAスプライシングに類似した酵素機構が、tRNA以外のRNAの機能制御にも利用されている例が発見されています。特に、細胞が蛋白質の折りたたみ異常に遭遇した際に活性化されるシグナル伝達経路の一部として、転写因子Hac1pのmRNAスプライシングが挙げられます。この反応では、膜タンパク質であるIre1pが、その持つヌクレアーゼ活性によってHac1 mRNA中のイントロンを切断します。切断されたエクソンは、tRNAスプライシングにも関わるtRNAライゲースによって連結されます。このスプライシングによってHac1 mRNAは翻訳可能な形になり、Hac1p蛋白質が大量に合成されることで、ストレス応答に関わる遺伝子群の転写が活性化されると考えられています。これは、基本的なスプライシング機構が、細胞応答における複雑な遺伝子発現制御にも応用されている興味深い例と言えます。

これらの研究は、単純な遺伝子配列の切り貼りにとどまらない、RNAスプライシングの多様な機能と精緻な制御機構を明らかにする上で重要な知見を提供しています。

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