真核生物mRNAのプロセシング

🧠 pre-mRNAの成熟は「5′キャップ付加→3′切断/ポリアデニル化polyadenylationポリアデニル化（polyadenylation）polyadenylation（ポリアデニル化）→RNAスプライシング」という3つの共転写的co-transcriptional共転写的（co-transcriptional）co-transcriptional（共転写的）修飾からなり、いずれも共通の目的——「核内で他のRNAから区別され、分解酵素から保護され、正しいコード領域だけが残る」——を果たす。スプライシングにおけるスプライソソームspliceosomeスプライソソーム（spliceosome）spliceosome（スプライソソーム）（U1・U2・U4・U5・U6 snRNP）の組み立てとほどけの連鎖は、この一連の加工の中で最も精巧な分子機械であり、2回のトランスエステル化esterificationエステル化（esterification）esterification（エステル化）反応でイントロンをラリアットlariat (RNA splicing intermediate)ラリアット（lariat (RNA splicing intermediate)）lariat (RNA splicing intermediate)（ラリアット）（投げ縄）として正確に切り出す。

概観

真核生物細胞は、RNAポリメラーゼIIRNA polymerase IIRNAポリメラーゼII（RNA polymerase II）RNA polymerase II（RNAポリメラーゼII）により合成された初期一次転写産物を、成熟し機能的なmRNAへ変換する（pre-mRNA→成熟mRNA）。

mRNA成熟の3大イベント：

これらの事象は共転写的co-transcriptional共転写的（co-transcriptional）co-transcriptional（共転写的）に進行する——5′キャップ付加はRNAポリメラーゼが転写を開始した直後に始まる。細胞質への輸送は、プロセシング終了後まもなく特異的なRNA輸送タンパク質transport protein輸送タンパク質（transport protein）transport protein（輸送タンパク質）の助けで開始される。

flowchart TD
  A["DNA：<span class='jp-term jp-term-diagram' title='exon'>エキソン</span>-イントロン-<span class='jp-term jp-term-diagram' title='exon'>エキソン</span>、poly(A)部位、終結部位"] --> B["1. 転写、5'キャップ付加"]
  B --> C["2. poly(A)部位での<span class='jp-term jp-term-diagram' title='endonuclease'>エンドヌクレアーゼ</span>切断"]
  C --> D["3. ポリA重合酵素（PAP）による<span class='jp-term jp-term-diagram' title='polyadenylation'>ポリアデニル化</span>"]
  D --> E["4. RNAスプライシング"]
  E --> F["成熟mRNA"]

① 5′キャップ付加

RNA鎖が約25ヌクレオチドの長さに達すると、7-メチルグアノシンguanosineグアノシン（guanosine）guanosine（グアノシン）（および最初の2つのリボースriboseリボース（ribose）ribose（リボース）のメチル化）からなる保護キャップが、5′-5′三リン酸架橋により最初のヌクレオチドの5′端に付加される。

キャップは酵素グアニリル転移酵素guanylyl transferaseグアニリル転移酵素（guanylyl transferase）guanylyl transferase（グアニリル転移酵素）により付加され、これはまずRNAポリメラーゼと相互作用しうる。RNAポリメラーゼへの結合と、5′-リン酸化されたCTD（C末端ドメイン）によるキャッピングcapping (mRNA 5′ cap addition)キャッピング（capping (mRNA 5′ cap addition)）capping (mRNA 5′ cap addition)（キャッピング）酵素の活性化により、以下の特徴的な事象の連鎖が起こる：

1. RNA三リン酸ホスファターゼ（3つのキャッピングcapping (mRNA 5′ cap addition)キャッピング（capping (mRNA 5′ cap addition)）capping (mRNA 5′ cap addition)（キャッピング）酵素の1つ）が5′端からγ-リン酸を除去する——残るα・βリン酸はキャップに付随したまま残る
2. グアニリル転移酵素guanylyl transferaseグアニリル転移酵素（guanylyl transferase）guanylyl transferase（グアニリル転移酵素）がGTPからGMP部分を伸長中の転写産物の5′-二リン酸へ転移し、グアノシンguanosineグアノシン（guanosine）guanosine（グアノシン）-5′-5′-三リン酸架橋を作る
3. 最終段階で、様々な種類のメチル転移酵素methyltransferaseメチル転移酵素（methyltransferase）methyltransferase（メチル転移酵素）がS-アデノシルメチオニンS-adenosylmethionine (SAM)アデノシルメチオニン（S-adenosylmethionine (SAM)）S-adenosylmethionine (SAM)（アデノシルメチオニン）からメチル基methyl groupメチル基（methyl group）methyl group（メチル基）（CH₃）を①グアニンguanineグアニン（guanine）guanine（グアニン）のN7位②最初の1〜2ヌクレオチドの2′酸素へ転移する→この過程がRNAポリメラーゼIIRNA polymerase IIRNAポリメラーゼII（RNA polymerase II）RNA polymerase II（RNAポリメラーゼII）をより速い伸長モードへ移行させる

⭐ この機構の正味の効果（新生鎖の保護に加えて）は、ポリメラーゼが成長中のRNAがキャップされるまで待ってから急速な速度で伸長を始めることである。

② 3′切断とポリアデニル化

ポリアデニル化polyadenylationポリアデニル化（polyadenylation）polyadenylation（ポリアデニル化）とは、約250個のアデノシン残基からなるポリA尾部の付加であり、分解酵素からRNA鎖を保護する重要な役割を持つと考えられている。この過程では、特異的なタンパク質-核酸相互作用とタンパク質-タンパク質相互作用のネットワークを通じて多タンパク質複合体が組み立てられる。

機序：

1. pre-mRNA中の特異的配列シグナルがタンパク質因子のpre-mRNAへの結合を指示する——保存されたAAUAAA配列が必須であり、下流のG/Uに富む配列も重要
2. 切断＋ポリアデニル化特異性因子cleavage and polyadenylation specificity factor (CPSF)ポリアデニル化特異性因子（cleavage and polyadenylation specificity factor (CPSF)）cleavage and polyadenylation specificity factor (CPSF)（ポリアデニル化特異性因子）が上流のAAUAAAポリアデニル化polyadenylationポリアデニル化（polyadenylation）polyadenylation（ポリアデニル化）シグナルに結合する
3. 切断刺激因子CstF (cleavage stimulation factor)切断刺激因子（CstF (cleavage stimulation factor)）CstF (cleavage stimulation factor)（切断刺激因子）が下流のGUまたはUに富む配列と結合したCPSFに相互作用し、RNA中にループを形成する
4. 切断因子（CFI＋CFII）の結合が複合体を安定化する
5. ポリアデニル酸重合酵素poly(A) polymeraseポリアデニル酸重合酵素（poly(A) polymerase）poly(A) polymerase（ポリアデニル酸重合酵素）の結合が、上流ポリアデニル化polyadenylationポリアデニル化（polyadenylation）polyadenylation（ポリアデニル化）シグナルの3′側15〜30ヌクレオチドに通常位置するポリA切断部位での切断を刺激する
6. 切断因子群、および下流のRNA切断産物cleavage product切断産物（cleavage product）cleavage product（切断産物）（急速に分解される）が放出される
7. 結合したPAPは切断反応で生じた3′-OH基へ、緩やかな速度で約12個のA残基を付加する
8. ポリアデニル酸結合タンパク質poly(A)-binding protein (PABP)ポリアデニル酸結合タンパク質（poly(A)-binding protein (PABP)）poly(A)-binding protein (PABP)（ポリアデニル酸結合タンパク質）が初期の短いポリA尾部に結合し、アデニル化を加速する
9. 200〜250個のA残基が付加された後、PABがPAPに停止を指示する

③ RNAスプライシング

成熟し機能的なmRNAの形成過程で、イントロンが除去されエキソンexonエキソン（exon）exon（エキソン）が繋ぎ合わされる。スプライシングの過程は2回のトランスエステル化機構trans-esterification mechanismトランスエステル化機構（trans-esterification mechanism）trans-esterification mechanism（トランスエステル化機構）を伴い、1つのエステル結合ester bondエステル結合（ester bond）ester bond（エステル結合）が切断され新たな結合に置き換えられ、隣接する2つのエキソンexonエキソン（exon）exon（エキソン）が連結される。

スプライシングにはpre-mRNAと塩基対合base pairing塩基対合（base pairing）base pairing（塩基対合）してスプライソソームspliceosomeスプライソソーム（spliceosome）spliceosome（スプライソソーム）を形成する低分子核内RNA（snRNA）の存在が必要である。

特異的snRNP配列：

• U1： 5′スプライス部位結合
• U2： ブランチポイント結合（イントロン内のA地点）
• U5： 3′スプライス部位結合
• U4・U6： 複合体組み立てと触媒活性

これらが集まりスプライソソームspliceosomeスプライソソーム（spliceosome）spliceosome（スプライソソーム）と呼ばれる大きなリボヌクレオタンパク質複合体nucleoprotein complexヌクレオタンパク質複合体（nucleoprotein complex）nucleoprotein complex（ヌクレオタンパク質複合体）を形成する。

機序：

flowchart TD
  A["U1が5'スプライス部位と<span class='jp-term jp-term-diagram' title='base pairing'>塩基対合</span>"] --> B["SF1（スプライシング因子1）がブランチポイントAに結合"]
  B --> C["U2AF（U2会合因子）が<span class='jp-term jp-term-diagram' title='polypyrimidine tract'>ポリピリミジン管</span>とc3'スプライス部位に会合"]
  C --> D["U2 snRNPがブランチポイントAに<span class='jp-term jp-term-diagram' title='base pairing'>塩基対合</span>結合しSF1を置換"]
  D --> E["U4・U5・U6のsnRNP複合体が初期複合体に参加→<span class='jp-term jp-term-diagram' title='spliceosome'>スプライソソーム</span>形成"]
  E --> F["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='base pairing'>塩基対合</span>の再配置により<span class='jp-term jp-term-diagram' title='spliceosome'>スプライソソーム</span>が活性<span class='jp-term jp-term-diagram' title='conformation'>コンフォメーション</span>へ→U1・U4snRNP解離"]
  F --> G["第1トランス<span class='jp-term jp-term-diagram' title='esterification'>エステル化</span>反応（触媒コア：U6+U2）→2',5'-<span class='jp-term jp-term-diagram' title='phosphodiester bond'>ホスホジエステル結合</span>の中間体形成"]
  G --> H["第2トランス<span class='jp-term jp-term-diagram' title='esterification'>エステル化</span>反応→2<span class='jp-term jp-term-diagram' title='exon'>エキソン</span>が3',5'-<span class='jp-term jp-term-diagram' title='phosphodiester bond'>ホスホジエステル結合</span>で連結"]
  H --> I["イントロンが<span class='jp-term jp-term-diagram' title='lariat (RNA splicing intermediate)'>ラリアット</span>（投げ縄）構造として残存snRNAとともに放出"]

1. U1が5′スプライス部位と塩基対合base pairing塩基対合（base pairing）base pairing（塩基対合）した後、SF1（スプライシング因子1）がブランチポイントA（branch-point-A）に結合する。U2AF（U2会合因子）がポリピリミジン管polypyrimidine tractポリピリミジン管（polypyrimidine tract）polypyrimidine tract（ポリピリミジン管）と3′スプライス部位に会合する
2. U2 snRNPが塩基対合base pairing塩基対合（base pairing）base pairing（塩基対合）相互作用を介してブランチポイントAに会合し、SF1を置換する
3. U4・U5・U6からなるsnRNP複合体が初期複合体に加わるとスプライソソームspliceosomeスプライソソーム（spliceosome）spliceosome（スプライソソーム）が形成される
4. 塩基対合base pairing塩基対合（base pairing）base pairing（塩基対合）相互作用の再配置がスプライソソームspliceosomeスプライソソーム（spliceosome）spliceosome（スプライソソーム）を活性コンフォメーションconformationコンフォメーション（conformation）conformation（コンフォメーション）へ変換し、U1・U4 snRNPを放出する
5. 第1トランスエステル化esterificationエステル化（esterification）esterification（エステル化）反応は触媒コア（U6＋U2）により触媒され、2′,5′-ホスホジエステル結合phosphodiester bondホスホジエステル結合（phosphodiester bond）phosphodiester bond（ホスホジエステル結合）を含む中間体を形成する
6. 第2トランスエステル化esterificationエステル化（esterification）esterification（エステル化）反応が2つのエキソンexonエキソン（exon）exon（エキソン）を3′,5′-ホスホジエステル結合phosphodiester bondホスホジエステル結合（phosphodiester bond）phosphodiester bond（ホスホジエステル結合）で連結し、イントロンをラリアットlariat (RNA splicing intermediate)ラリアット（lariat (RNA splicing intermediate)）lariat (RNA splicing intermediate)（ラリアット）（投げ縄、lariat）構造（短い尾を持つ環状分子）として、残りのsnRNAとともに放出する

⭐ 切り出されたラリアットlariat (RNA splicing intermediate)ラリアット（lariat (RNA splicing intermediate)）lariat (RNA splicing intermediate)（ラリアット）イントロンは脱分枝酵素debranching enzyme脱分枝酵素（debranching enzyme）debranching enzyme（脱分枝酵素）により線状RNAへ変換される——分解されるか、マイクロRNAの合成に利用されうる。

まとめ

• pre-mRNAの成熟は5′キャップ付加（7-メチルグアノシンguanosineグアノシン（guanosine）guanosine（グアノシン）、分解からの保護＋翻訳促進）・3′切断/ポリアデニル化polyadenylationポリアデニル化（polyadenylation）polyadenylation（ポリアデニル化）（CPSF/CStF/PAPによる約250Aのポリ A尾部付加）・RNAスプライシング（イントロン除去）という3つの共転写的co-transcriptional共転写的（co-transcriptional）co-transcriptional（共転写的）事象からなる。
• 5′キャップはRNA三リン酸ホスファターゼ→グアニリル転移酵素guanylyl transferaseグアニリル転移酵素（guanylyl transferase）guanylyl transferase（グアニリル転移酵素）→メチル転移酵素methyltransferaseメチル転移酵素（methyltransferase）methyltransferase（メチル転移酵素）という3段階の酵素反応で形成され、ポリメラーゼの伸長速度を加速させる。
• 3′端はAAUAAA配列を目印にCPSF・CStFが複合体を形成して切断部位を決定し、PAPが約250個のアデニンadenineアデニン（adenine）adenine（アデニン）残基を付加してmRNAを安定化する。
• RNAスプライシングはU1・U2・U4・U5・U6 snRNPが順次組み立てられるスプライソソームspliceosomeスプライソソーム（spliceosome）spliceosome（スプライソソーム）によって触媒され、2回のトランスエステル化esterificationエステル化（esterification）esterification（エステル化）反応でイントロンをラリアットlariat (RNA splicing intermediate)ラリアット（lariat (RNA splicing intermediate)）lariat (RNA splicing intermediate)（ラリアット）構造として切り出し、エキソンexonエキソン（exon）exon（エキソン）同士を連結する。