Molecular Cell Biology · 12

各種RNAの性質・役割・合成

Characterization, role and synthesis of different types of RNA

🧠 RNAの世界は「タンパク質をコードするRNA（全体のわずか3〜5%）」と「コードしないRNA（ncRNA、残り大部分）」に大別され、後者はさらに「構造/触媒型（rRNA・tRNA・snRNA等、翻訳装置そのものを作る）」と「制御型（miRNA・siRNA・lncRNA等、他の遺伝子発現を調節する）」に分かれる。ゲノムの90%超が転写されるという事実は、ヒトゲノムがタンパク質工場factories工場（factories）factories（工場）の設計図であると同時に、その工場factories工場（factories）factories（工場）の稼働を管理する無数の制御シグナルの貯蔵庫reservoir貯蔵庫（reservoir）reservoir（貯蔵庫）でもあることを示している。

RNAとは

RNA（リボ核酸、ribonucleic acid）＝リボースriboseリボース（ribose）ribose（リボース）糖＋含窒素塩基nitrogenous base含窒素塩基（nitrogenous base）nitrogenous base（含窒素塩基）（A、C、G、U）＋リン酸からなり、コード化・デコード・遺伝子の調節・発現など多くの役割を担う。多くは自然界で一本鎖が自己に折りたたまれた状態（例：tRNA）で存在し、対合synapsis対合（synapsis）synapsis（対合）した二本鎖ではない。

(1) タンパク質コードRNA

mRNA（メッセンジャーRNA）：

DNAからリボソーム（タンパク質合成の場）へ情報を運ぶ
mRNA中のコード配列coding sequenceコード配列（coding sequence）coding sequence（コード配列）が、産生されるタンパク質のアミノ酸配列amino-acid sequenceアミノ酸配列（amino-acid sequence）amino-acid sequence（アミノ酸配列）を決定する
全RNAのわずか3〜5%——大部分のRNAはタンパク質をコードしないため
5′キャップとポリA尾部を伴い加工・成熟する

pre-mRNA：

mRNAの前駆体＝未加工のmRNA
イントロンを含み、5′キャップ・ポリA尾部を欠く
hnRNA（不均一核内RNA、heterogenous nuclear RNA）は、pre-mRNAおよび1つ以上のイントロンを含むRNAプロセシング中間体を包括する用語

(2) 非コードRNA

ncRNA（非コードRNA）は自身の遺伝子（RNA遺伝子）にコードされることもあれば、mRNAのイントロンに由来することもある。細胞内RNAの多くは触媒機能を担う：rRNAはRNA全体の約80%を占める（リボソームの中核を形成する）。構造/触媒型RNAと制御型RNAに分類できる。

⭐ 遍在的転写pervasive transcription遍在的転写（pervasive transcription）pervasive transcription（遍在的転写）：ゲノムの90%超が転写される。 タンパク質コード配列coding sequenceコード配列（coding sequence）coding sequence（コード配列）（1.5〜2%）よりもはるかに多くの領域が、何らかのRNAへ転写されている。

1. 構造・触媒RNA

RNA種	機能
rRNA（リボソームRNA、ribosomal RNA）	タンパク質合成に必須——リボソームの触媒成分。核小体でpre-rRNAから合成される。真核リボソームは4種の異なるRNA分子（18S、5S、28S、5.8S）を含む。28S rRNAはペプチジル転移酵素peptidyl transferaseペプチジル転移酵素（peptidyl transferase）peptidyl transferase（ペプチジル転移酵素）活性を持ちペプチド結合を形成する
tRNA（転移RNA、transfer RNA）	アミノ酸をリボソームへ運搬する。mRNAに対するアンチコドンanticodonアンチコドン（anticodon）anticodon（アンチコドン）（3′-5′）を持ち、翻訳中に伸長するポリペプチド鎖を構成する。pre-tRNAから加工される
snRNA（低分子核内RNA、small nuclear RNA、U-RNA）	pre-mRNAからのイントロン除去（RNAスプライシング）を担う（16-processing-of-the-eukaryotic-mrna参照）
snoRNA（低分子核小体RNA、small nucleolar RNA）	rRNA成熟過程における化学修飾chemical modification化学修飾（chemical modification）chemical modification（化学修飾）（リボースriboseリボース（ribose）ribose（リボース）のメチル化、シュードウリジンpseudouridineシュードウリジン（pseudouridine）pseudouridine（シュードウリジン）の取り込み）を担う
テロメラーゼtelomeraseテロメラーゼ（telomerase）telomerase（テロメラーゼ）RNA（telomerase RNA）	染色体末端chromosome terminal染色体末端（chromosome terminal）chromosome terminal（染色体末端）でのテロメラーゼtelomeraseテロメラーゼ（telomerase）telomerase（テロメラーゼ）による配列付加の鋳型として機能する（07-telomeric-repeat-sequences-replication-of-the-telomeric-regions-of-eukaryotic参照）

2. 制御RNA

RNA種	機能
miRNA（マイクロRNA、microRNA）	22塩基長の低分子RNAでmRNA塩基と広範に対合synapsis対合（synapsis）synapsis（対合）する——RNA干渉を引き起こし、標的mRNAの翻訳を阻害しその分解を促進する
siRNA（低分子干渉RNA、small interfering RNA）	同じく22塩基長でmiRNAと同様にRNAに干渉するが、標的mRNA配列と完全に相補的である点が異なる——標的RNAの切断・急速な分解を引き起こす。コンパクトなクロマチン構造の確立にも関与する
asRNA（アンチセンスantisenseアンチセンス（antisense）antisense（アンチセンス）RNA、antisense RNA）	mRNAに相補的な一本鎖RNAsingle-stranded RNA一本鎖RNA（single-stranded RNA）single-stranded RNA（一本鎖RNA）（ssRNA）——mRNAに結合し翻訳を阻害する
Xist-RNA（X不活性化特異的転写産物、X-inactive specific transcript）	X染色体上のRNA遺伝子——X染色体を不活性化する（バー小体Barr bodyバー小体（Barr body）Barr body（バー小体）、Barr body）
lncRNA（長鎖非コードRNA、long non-coding RNA）	約200ヌクレオチドの長い構造を持つRNAで、クロマチン構造・転写・翻訳・タンパク質機能を調節する

原核生物型rRNA・tRNAのプロセシング

rRNA・tRNAの遺伝子はいずれも核小体に集簇aggregation/clustering (histological, e.g. lymphocytic aggregates)集簇（aggregation/clustering (histological, e.g. lymphocytic aggregates)）aggregation/clustering (histological, e.g. lymphocytic aggregates)（集簇）しており、核小体は非コードRNAが転写される大規模genome mutation大規模（genome mutation）genome mutation（大規模）な「工場factories工場（factories）factories（工場）」とみなせる。全てのrRNA遺伝子は核小体の形成に重要な役割を果たす。

mRNA合成（転写）の後、翻訳を開始するにはrRNA（リボソームサブユニットribosomal subunitリボソームサブユニット（ribosomal subunit）ribosomal subunit（リボソームサブユニット）構築用）とtRNA（タンパク質合成用）の両方が必要であり、これらが産生される必要がある。

rRNAの合成と成熟

大リボソームサブユニットribosomal subunitリボソームサブユニット（ribosomal subunit）ribosomal subunit（リボソームサブユニット）（60S）＝28S、5S、5.8S RNA
小リボソームサブユニットribosomal subunitリボソームサブユニット（ribosomal subunit）ribosomal subunit（リボソームサブユニット）（40S）＝18S RNA
合計：真核生物リボソームEukaryotic ribosome真核生物リボソーム（Eukaryotic ribosome）Eukaryotic ribosome（真核生物リボソーム）＝80S
リボソーム1コピーあたり4種の真核生物rRNAが存在する：
- 18S、5.8S、28Sは単一のpre-rRNAの化学修飾chemical modification化学修飾（chemical modification）chemical modification（化学修飾）・切断によって作られる。pre-rRNA遺伝子は長いタンデム配列上に並び、5′→3′の順に18S、5.8S、28Sとなる
- 最後のrRNAである5Sは、RNAポリメラーゼIIIRNA polymerase IIIRNAポリメラーゼIII（RNA polymerase III）RNA polymerase III（RNAポリメラーゼIII）によって別の遺伝子クラスターclusterクラスター（cluster）cluster（クラスター）から合成され、化学修飾chemical modification化学修飾（chemical modification）chemical modification（化学修飾）を要しない

flowchart TD
  A["転写：RNAポリメラーゼがプロモーターに結合し重合開始"] --> B["原核生物：単一のRNAポリメラーゼが細胞内全RNAを合成"]
  A --> C["真核生物：<span class='jp-term jp-term-diagram' title='RNA polymerase I'>RNAポリメラーゼI</span>+IIIが<span class='jp-term jp-term-diagram' title='ribosomal subunit'>リボソームサブユニット</span>を合成"]
  C --> D["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='chemical modification'>化学修飾</span>：RNaseがコード外配列を切断（エキソソーム関連3'-5'<span class='jp-term jp-term-diagram' title='exonuclease'>エキソヌクレアーゼ</span>が分解）"]
  D --> E["snoRNA・snRNPがpre-RNA上に位置しRNA<span class='jp-term jp-term-diagram' title='modifying enzyme'>修飾酵素</span>を適切な位置へ誘導"]
  E --> F["メチル化：ヌクレオチド糖の2'-OH位のメチル化"]
  F --> G["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='isomerization'>異性化</span>：ウリジンヌクレオチド→<span class='jp-term jp-term-diagram' title='pseudouridine'>シュードウリジン</span>への変換"]
  G --> H["5S rRNA（核小体外・核質で<span class='jp-term jp-term-diagram' title='RNA polymerase III'>RNAポリメラーゼIII</span>が別途合成）が核小体へ拡散し合流"]
  H --> I["2つの<span class='jp-term jp-term-diagram' title='ribosomal subunit'>リボソームサブユニット</span>が核小体で完成→<span class='jp-term jp-term-diagram' title='nuclear pore'>核膜孔</span>を通り細胞質へ拡散"]
  I --> J["rRNAがヌクレオプロテインと結合しリボソームを形成→翻訳に使用可能"]

カハール小体Cajal bodyカハール小体（Cajal body）Cajal body（カハール小体）（核内小体）＝RNAプロセシングに関わる構成要素が組み立てられ、選別され、リサイクルされる部位である核内亜構造。

tRNAの合成

tRNA（長さ約80ヌクレオチド）は翻訳における鍵となる機能を持つ。全てのpre-tRNAのプロセシング中に切断と塩基修飾modification of bases塩基修飾（modification of bases）modification of bases（塩基修飾）が起こる（一部のpre-tRNAはスプライシングも受ける）。プロセシングは核内で起こる。

転写： RNAポリメラーゼIIIRNA polymerase IIIRNAポリメラーゼIII（RNA polymerase III）RNA polymerase III（RNAポリメラーゼIII）が核質でtRNA（pre-tRNA）を合成する
切断： エンドヌクレアーゼendonucleaseエンドヌクレアーゼ（endonuclease）endonuclease（エンドヌクレアーゼ）によりpre-tRNAの5′・3′端が切除される
- 真核生物：核内リボヌクレアーゼP（RNase P）が5′端を切断
- 原核生物：核内リボヌクレアーゼD（RNase D、エキソヌクレアーゼexonucleaseエキソヌクレアーゼ（exonuclease）exonuclease（エキソヌクレアーゼ））が3′端を切断
イントロンスプライシング： 一部のtRNAでイントロンが除去される——タンパク質が触媒する「カット・アンド・ペースト」機構により行われ、pre-tRNAがクローバーリーフcloverleafクローバーリーフ（cloverleaf）cloverleaf（クローバーリーフ）構造に正しく折りたたまれていることを要する

tRNAの成熟

pre-tRNAで生じる3クラスの共有結合的塩基修飾modification of bases塩基修飾（modification of bases）modification of bases（塩基修飾）が、tRNAが細胞質へ輸送されタンパク質合成に用いられるために必要である：

tRNAヌクレオチジルnucleotidylヌクレオチジル（nucleotidyl）nucleotidyl（ヌクレオチジル）転移酵素がpre-tRNAの3′端のU残基をCCA配列に置換する——このCCA配列はアミノアシルtRNA合成酵素aminoacyl-tRNA synthetaseアミノアシルtRNA合成酵素（aminoacyl-tRNA synthetase）aminoacyl-tRNA synthetase（アミノアシルtRNA合成酵素）によりアミノ酸と共有結合する
プリン塩基purine baseプリン塩基（purine base）purine base（プリン塩基）の複素環にメチル基methyl groupメチル基（methyl group）methyl group（メチル基）・イソペンテニル基isopentenyl groupイソペンテニル基（isopentenyl group）isopentenyl group（イソペンテニル基）が付加される。リボースriboseリボース（ribose）ribose（リボース）の2′-OH基もメチル化される
特定のウリジンがジヒドロウリジンdihydrouridineジヒドロウリジン（dihydrouridine）dihydrouridine（ジヒドロウリジン）、シュードウリジンpseudouridineシュードウリジン（pseudouridine）pseudouridine（シュードウリジン）、リボチミジンribothymidineリボチミジン（ribothymidine）ribothymidine（リボチミジン）残基へ変換される

核内でプロセシングされた成熟tRNAは、エクスポーチンexportinエクスポーチン（exportin）exportin（エクスポーチン）t（exportin-t）＋エクスポーチンexportinエクスポーチン（exportin）exportin（エクスポーチン）により核膜孔複合体nuclear pore complex (NPC)核膜孔複合体（nuclear pore complex (NPC)）nuclear pore complex (NPC)（核膜孔複合体）を通って細胞質へ輸送され、タンパク質翻訳に使用可能となる。

まとめ

RNAはタンパク質コードRNA（mRNA、全体の3〜5%）と非コードRNA（ncRNA、残りの大部分）に大別され、ゲノムの90%超が何らかのRNAへ転写される（遍在的転写pervasive transcription遍在的転写（pervasive transcription）pervasive transcription（遍在的転写））。
構造・触媒RNA（rRNA・tRNA・snRNA・snoRNA・テロメラーゼtelomeraseテロメラーゼ（telomerase）telomerase（テロメラーゼ）RNA）は翻訳装置そのものを構成・維持し、制御RNA（miRNA・siRNA・asRNA・Xist・lncRNA）は他の遺伝子の発現を調節する。
rRNAは単一のpre-rRNA前駆体（18S・5.8S・28S）とRNAポリメラーゼIIIRNA polymerase IIIRNAポリメラーゼIII（RNA polymerase III）RNA polymerase III（RNAポリメラーゼIII）由来の5S rRNAが核小体で組み立てられ、snoRNA/snRNPによる切断・メチル化・異性化isomerization異性化（isomerization）isomerization（異性化）を経て2つのリボソームサブユニットribosomal subunitリボソームサブユニット（ribosomal subunit）ribosomal subunit（リボソームサブユニット）として完成する。
tRNAはRNAポリメラーゼIIIRNA polymerase IIIRNAポリメラーゼIII（RNA polymerase III）RNA polymerase III（RNAポリメラーゼIII）により合成された後、RNase P/D による末端切断、イントロンスプライシング、CCA配列付加や塩基修飾modification of bases塩基修飾（modification of bases）modification of bases（塩基修飾）という一連のプロセシングを経て、エクスポーチンexportinエクスポーチン（exportin）exportin（エクスポーチン）tにより細胞質へ輸送される。