U2 snRNA
U2 snRNA（U2 small nuclear RNA）は、ほとんど全ての真核生物に存在する主要なスプライソソーム（メジャースプライソソーム）を構成する小型核RNA（snRNA）の一つです。
生体内では、U2 snRNAは様々なポリペプチドと結合し、U2 snRNPと呼ばれるリボ核タンパク質粒子を形成します。このU2 snRNPは、メジャースプライソソーム複合体の不可欠な構成成分です。メジャースプライソソームによる遺伝子スプライシングの経路は「U2依存的経路」とも呼ばれますが、これは、前駆体mRNA中のイントロン（Smイントロン）の認識が、スプライソソーム組み立ての初期段階において、主にU2 snRNPによって行われるためです。さらに、U2 snRNA自身がpre-mRNAのスプライシング反応の触媒機能にも関与していると考えられています。リボソームRNAと同様に、U2 snRNAのようなSmクラスのsnRNAは、RNA間の相互作用とRNA-タンパク質間の相互作用の両方を仲介する必要があります。これらの相互作用を効率的に媒介するため、U2 snRNAは高度に保存された特異的な一次および二次構造要素を発達させています。
遺伝子のタンパク質コード領域が長い非コード配列（イントロン）によって分断されていることが発見されると、イントロン除去の生化学的な仕組みの解明が進められました。初期の研究では、別のsnRNAであるU1 snRNAが、前駆体mRNAの5'側のスプライス部位の保存配列と相補的な塩基対を形成することが見出され、小型核RNAがRNA間の相互作用を通じてスプライス部位の認識に関わる可能性が示唆されました。これらの相互作用の複雑さは当初は十分に理解されていませんでしたが、原子分解能での構造解析が近年可能となり、これらの小型核RNAが実際にRNA間の相互作用によりスプライシングを制御していることが詳細に実証されています。
U2 snRNAは、単独で機能するのではなく、複数のポリペプチドと結合してU2 snRNPを形成します。例えば出芽酵母では18種類のポリペプチドと結合することが知られています。これらのポリペプチドのうち、7種類はSmクラスのsnRNPに共通して存在する構造タンパク質（Smタンパク質）です。これらの非特異的な構造タンパク質は、U2 snRNAに存在するSm結合部位と呼ばれる高度に保存された配列（AUnG、n=4～6）を認識して結合します。一方、A'タンパク質とB''タンパク質はU2 snRNPに特異的に結合し、U2 snRNAの3'側にある2つのステムループといった特有の構造要素を必要とします。さらに、SF3a複合体（3サブユニット）とSF3b複合体（6サブユニット）もU2 snRNAと結合し、その機能に不可欠な役割を果たしています。
U2 snRNAは、前駆体mRNAの3'スプライス部位から18～40ヌクレオチド上流に位置する、分枝点配列（BPS）と呼ばれる7～12ヌクレオチドの配列を介してイントロンの認識に関与します。例えば酵母のBPSは7ヌクレオチドのコンセンサス配列を持ち、U2 snRNA側にはこれと相補的な6ヌクレオチドの認識配列が存在します。これら二つの配列が塩基対を形成して二重らせん構造を取る際、BPS中の保存されたアデノシン残基が二重らせんから突き出すようにバルジを形成します。このバルジを形成したアデノシン残基は、特定の立体配座を取り、スプライシング因子Cwc25、Yju2、Isy1などの助けを得て、5'スプライス部位のリン原子への求核攻撃を行うための2'-OH基を適切な位置に配向させます。この求核攻撃は、2段階のエステル交換反応によるスプライシングの第一段階を開始し、イントロンを「ラリアット中間体」と呼ばれる環状構造として切り出します。第二段階のエステル交換反応では、切り出されたイントロンが放出され、隣接する二つのエクソンが連結されます。
U2 snRNAの全長は真核生物種によって異なりますが、特に5'末端から最初の約80ヌクレオチドの領域は系統学的に高度に保存されており、85%以上の部位で配列が共通しています。また、ステムループI、II、III、IVといった複数の二次構造エレメントや、それらを繋ぐ一本鎖領域の一部も保存されています。酵母のU2 snRNAのステムループIIには珍しいGA塩基対が含まれ、tRNAのアンチコドンループに似た特徴的なUターンモチーフを形成します。全てのU2 snRNAに存在するターミナルステムループ（ステムループIV）は、10～16塩基対のヘリックスと11ヌクレオチドのループからなり、このループ部分にはコンセンサス配列（5'-UYGCANUURYN-3'）が存在します。
U2 snRNAは、全てのsnRNAの中で最も広範囲に転写後修飾を受けていることが知られています。修飾される正確な位置は生物種によって異なりますが、これらの修飾がU2 snRNAの生物学的機能と強く関連していることが示唆されています。主な修飾には、ウリジン残基のシュードウリジンへの変換、2'-O-メチル化、核酸塩基のメチル化、そして5'末端のモノメチル化グアノシンキャップが2,2,7-トリメチル化グアノシンキャップへ変換されることなどが含まれます。これらの修飾の多くは、分子の5'末端から27ヌクレオチドの領域に集中しています。
スプライソソームは、組み立てからスプライシング完了まで、複数回のコンフォメーション変化を伴う非常に動的な分子機械です。スプライソソームの構造再編成に関する詳細は依然不明な点も多いですが、近年の研究により、スプライシング反応の第一段階を進行させる上で重要なU2 snRNAとU6 snRNAの折りたたみ複合体の形成が可視化されています。このフォールディングは、活性部位を構成する重要な要素のための足場となる4ヘリックスジャンクションの形成を促進すると考えられています。この活性部位は、分枝点アデノシンの2'-OH基を求核攻撃に適した位置に整列させるため、また負電荷を安定化させるための2つのMg2+イオンの結合部位として利用されます。
このU2とU6による折りたたまれた構造には、自己スプライシングを行うグループIIイントロンの触媒コアであるドメインVとの顕著な構造的類似性が見られます。U6 snRNAの特定の領域に存在するAGCトライアドは、グループIIイントロンでも保存されており、同様に三次元的なスタッキングを促進することが知られています。また、U2-U6の相互作用の初期段階に見られるGUゆらぎ塩基対の形成も、グループIIイントロンの触媒コア形成時に観察されます。これらの構造的類似性、特に金属イオン結合部位の構造保存性は、スプライソソームがグループIIイントロンと同じ2金属イオン機構を利用している可能性が高いことを示唆しています。このような構造的、機能的な類似性は、スプライソソームとグループIIイントロンが共通の進化的起源を持つという説を強く支持しています。
生体内では、U2 snRNAは様々なポリペプチドと結合し、U2 snRNPと呼ばれるリボ核タンパク質粒子を形成します。このU2 snRNPは、メジャースプライソソーム複合体の不可欠な構成成分です。メジャースプライソソームによる遺伝子スプライシングの経路は「U2依存的経路」とも呼ばれますが、これは、前駆体mRNA中のイントロン（Smイントロン）の認識が、スプライソソーム組み立ての初期段階において、主にU2 snRNPによって行われるためです。さらに、U2 snRNA自身がpre-mRNAのスプライシング反応の触媒機能にも関与していると考えられています。リボソームRNAと同様に、U2 snRNAのようなSmクラスのsnRNAは、RNA間の相互作用とRNA-タンパク質間の相互作用の両方を仲介する必要があります。これらの相互作用を効率的に媒介するため、U2 snRNAは高度に保存された特異的な一次および二次構造要素を発達させています。
遺伝子のタンパク質コード領域が長い非コード配列（イントロン）によって分断されていることが発見されると、イントロン除去の生化学的な仕組みの解明が進められました。初期の研究では、別のsnRNAであるU1 snRNAが、前駆体mRNAの5'側のスプライス部位の保存配列と相補的な塩基対を形成することが見出され、小型核RNAがRNA間の相互作用を通じてスプライス部位の認識に関わる可能性が示唆されました。これらの相互作用の複雑さは当初は十分に理解されていませんでしたが、原子分解能での構造解析が近年可能となり、これらの小型核RNAが実際にRNA間の相互作用によりスプライシングを制御していることが詳細に実証されています。
U2 snRNAと結合する因子
U2 snRNAは、単独で機能するのではなく、複数のポリペプチドと結合してU2 snRNPを形成します。例えば出芽酵母では18種類のポリペプチドと結合することが知られています。これらのポリペプチドのうち、7種類はSmクラスのsnRNPに共通して存在する構造タンパク質（Smタンパク質）です。これらの非特異的な構造タンパク質は、U2 snRNAに存在するSm結合部位と呼ばれる高度に保存された配列（AUnG、n=4～6）を認識して結合します。一方、A'タンパク質とB''タンパク質はU2 snRNPに特異的に結合し、U2 snRNAの3'側にある2つのステムループといった特有の構造要素を必要とします。さらに、SF3a複合体（3サブユニット）とSF3b複合体（6サブユニット）もU2 snRNAと結合し、その機能に不可欠な役割を果たしています。
イントロン認識とスプライシング反応
U2 snRNAは、前駆体mRNAの3'スプライス部位から18～40ヌクレオチド上流に位置する、分枝点配列（BPS）と呼ばれる7～12ヌクレオチドの配列を介してイントロンの認識に関与します。例えば酵母のBPSは7ヌクレオチドのコンセンサス配列を持ち、U2 snRNA側にはこれと相補的な6ヌクレオチドの認識配列が存在します。これら二つの配列が塩基対を形成して二重らせん構造を取る際、BPS中の保存されたアデノシン残基が二重らせんから突き出すようにバルジを形成します。このバルジを形成したアデノシン残基は、特定の立体配座を取り、スプライシング因子Cwc25、Yju2、Isy1などの助けを得て、5'スプライス部位のリン原子への求核攻撃を行うための2'-OH基を適切な位置に配向させます。この求核攻撃は、2段階のエステル交換反応によるスプライシングの第一段階を開始し、イントロンを「ラリアット中間体」と呼ばれる環状構造として切り出します。第二段階のエステル交換反応では、切り出されたイントロンが放出され、隣接する二つのエクソンが連結されます。
U2 snRNAの構造的特徴と修飾
U2 snRNAの全長は真核生物種によって異なりますが、特に5'末端から最初の約80ヌクレオチドの領域は系統学的に高度に保存されており、85%以上の部位で配列が共通しています。また、ステムループI、II、III、IVといった複数の二次構造エレメントや、それらを繋ぐ一本鎖領域の一部も保存されています。酵母のU2 snRNAのステムループIIには珍しいGA塩基対が含まれ、tRNAのアンチコドンループに似た特徴的なUターンモチーフを形成します。全てのU2 snRNAに存在するターミナルステムループ（ステムループIV）は、10～16塩基対のヘリックスと11ヌクレオチドのループからなり、このループ部分にはコンセンサス配列（5'-UYGCANUURYN-3'）が存在します。
U2 snRNAは、全てのsnRNAの中で最も広範囲に転写後修飾を受けていることが知られています。修飾される正確な位置は生物種によって異なりますが、これらの修飾がU2 snRNAの生物学的機能と強く関連していることが示唆されています。主な修飾には、ウリジン残基のシュードウリジンへの変換、2'-O-メチル化、核酸塩基のメチル化、そして5'末端のモノメチル化グアノシンキャップが2,2,7-トリメチル化グアノシンキャップへ変換されることなどが含まれます。これらの修飾の多くは、分子の5'末端から27ヌクレオチドの領域に集中しています。
コンフォメーションのダイナミクスと進化
スプライソソームは、組み立てからスプライシング完了まで、複数回のコンフォメーション変化を伴う非常に動的な分子機械です。スプライソソームの構造再編成に関する詳細は依然不明な点も多いですが、近年の研究により、スプライシング反応の第一段階を進行させる上で重要なU2 snRNAとU6 snRNAの折りたたみ複合体の形成が可視化されています。このフォールディングは、活性部位を構成する重要な要素のための足場となる4ヘリックスジャンクションの形成を促進すると考えられています。この活性部位は、分枝点アデノシンの2'-OH基を求核攻撃に適した位置に整列させるため、また負電荷を安定化させるための2つのMg2+イオンの結合部位として利用されます。
このU2とU6による折りたたまれた構造には、自己スプライシングを行うグループIIイントロンの触媒コアであるドメインVとの顕著な構造的類似性が見られます。U6 snRNAの特定の領域に存在するAGCトライアドは、グループIIイントロンでも保存されており、同様に三次元的なスタッキングを促進することが知られています。また、U2-U6の相互作用の初期段階に見られるGUゆらぎ塩基対の形成も、グループIIイントロンの触媒コア形成時に観察されます。これらの構造的類似性、特に金属イオン結合部位の構造保存性は、スプライソソームがグループIIイントロンと同じ2金属イオン機構を利用している可能性が高いことを示唆しています。このような構造的、機能的な類似性は、スプライソソームとグループIIイントロンが共通の進化的起源を持つという説を強く支持しています。
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