Molecular Cell Biology · 20

転写後レベルでの真核生物遺伝子発現の調節（選択的スプライシング、RNA編集、RNA安定性の調節、RNA品質管理）（EM学生のみ）

Regulation of eukaryotic gene expression at post-transcriptional level (alternative splicing, RNA editing, regulation of RNA stability, RNA quality control) (only for EM-students)

🧠 転写後調節は「1つの遺伝子から複数の異なる産物を作る」ための後処理の場である。 選択的スプライシングalternative splicing選択的スプライシング（alternative splicing）alternative splicing（選択的スプライシング）（どのエキソンexonエキソン（exon）exon（エキソン）を使うか）、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）部位の変更（C末端をどこで切るか）、核外輸送nuclear export核外輸送（nuclear export）nuclear export（核外輸送）のタイミング、RNA編集（塩基そのものを書き換える）——これら全てが転写後、翻訳前の段階でmRNAに介入し、単一の遺伝子から組織特異的・状況特異的に異なるタンパク質アイソフォームprotein isoformタンパク質アイソフォーム（protein isoform）protein isoform（タンパク質アイソフォーム）を生み出す。

転写後調節の位置づけ

遺伝子調節を考える上で、転写期の調節と転写後期の調節の間には重要な境界がある。本項は転写プロセスprocessプロセス（process）process（プロセス）終了後に起こるいくつかの調節機構regulatory mechanisms調節機構（regulatory mechanisms）regulatory mechanisms（調節機構）を扱う。RNAポリメラーゼが遺伝子のプロモーターに結合しRNA合成を開始した後に働く転写後制御系は、多くの遺伝子の調節にとって重要である。

転写後調節とはRNAレベルでの遺伝子発現の制御であり、転写後・タンパク質翻訳前に生じる。真核生物にのみ存在する。真核生物遺伝子が核内で転写されるとき、一次転写産物（新生RNA分子）はまだmRNAとはみなされない——代わりに「未成熟」分子であるpre-mRNAと呼ばれる。

選択的RNAスプライシング

選択的スプライシングalternative splicing選択的スプライシング（alternative splicing）alternative splicing（選択的スプライシング）では、mRNAの異なる部分がエキソンexonエキソン（exon）exon（エキソン）として使用選択されうる。これにより1つのpre-mRNAから2つ以上のmRNA分子を作ることができる。細胞はRNA転写産物を異なる様式でスプライスすることで、同一遺伝子から異なるポリペプチド鎖（タンパク質）を生成できる——数十種の異なるタンパク質が作られうる。

選択的RNAスプライシングは調節タンパク質によって制御される。これらのタンパク質はpre-mRNA上の特定部位に結合し（スプライシング因子の利用により）どのエキソンexonエキソン（exon）exon（エキソン）を使うべきかを制御する。異なる細胞型は異なる調節タンパク質を発現するため、細胞型ごとに異なるエキソンexonエキソン（exon）exon（エキソン）の組み合わせが使用されうる（→異なるタンパク質の産生）。

組織特異的結合： 異なる細胞型は異なる調節配列regulatory sequence調節配列（regulatory sequence）regulatory sequence（調節配列）を持ち、これが異なるタンパク質の産生につながりうる。

調節機構

機構	内容
負の調節	調節分子がスプライシング装置がRNA上の特定のスプライス部位にアクセスするのを妨げる
正の調節	調節分子がスプライシング装置を、そうでなければ見落とされるスプライス部位（エンハンサーenhancerエンハンサー（enhancer）enhancer（エンハンサー））へ誘導する

⭐ pre-mRNA分子のスプライシングは、競合するスプライス部位間の繊細なバランスとみなせる——このバランスは調節タンパク質のスプライシングへの効果によって容易に傾く。

RNA切断・ポリアデニル化部位の変化

復習： ポリアデニル化polyadenylationポリアデニル化（polyadenylation）polyadenylation（ポリアデニル化）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、分解酵素からのRNA鎖保護に重要な役割を持つと考えられている。真核生物分子の3′端は、転写産物が伸長している間に追加のタンパク質によって触媒されるRNA切断反応の結果である。

細胞はこの切断部位を制御でき→結果として生じるタンパク質のC末端を変化させる。最も単純な場合、①一方のタンパク質バリアントは他方の単なる切断版に過ぎない。他の場合、②選択的切断・ポリアデニル化polyadenylationポリアデニル化（polyadenylation）polyadenylation（ポリアデニル化）部位がイントロン配列内に位置し、それによりスプライシングパターンが変化する。この過程はC末端アミノ酸配列amino-acid sequenceアミノ酸配列（amino-acid sequence）amino-acid sequence（アミノ酸配列）のみが異なる、密接に関連した2つのタンパク質を生み出しうる。

例： B リンパ球の発生過程における、①膜結合型membrane-bound膜結合型（membrane-bound）membrane-bound（膜結合型）から②分泌型への抗体分子合成の切り替え——両者はC末端を除いて同一である：

膜結合型membrane-bound膜結合型（membrane-bound）membrane-bound（膜結合型）は膜の脂質二重層lipid bilayer脂質二重層（lipid bilayer）lipid bilayer（脂質二重層）を貫通する疎水性アミノ酸の長い鎖を持つ
分泌型はより短い親水性hydrophilic親水性（hydrophilic）hydrophilic（親水性）アミノ酸の鎖を持つ

→ 膜結合型membrane-bound膜結合型（membrane-bound）membrane-bound（膜結合型）から分泌型抗体への切り替えは、RNA切断部位（[CstF]の増加＝RNA切断を促進）とポリアデニル化polyadenylationポリアデニル化（polyadenylation）polyadenylation（ポリアデニル化）部位の変化によって生み出される。

RNA輸送

核からのRNA分子の輸出は、プロセシングが完了するまで遅延される。しかし、このチェックポイントcheckpointチェックポイント（checkpoint）checkpoint（チェックポイント）を意図的intentional意図的（intentional）intentional（意図的）に回避する機構が遺伝子発現の調節に利用されることがある。

例：ヒトAIDSウイルスにおけるmRNAの調節された核輸送：

子孫ウイルスを作るには、スプライシングされていない全ウイルス転写産物全体が核から細胞質へ輸出され、ウイルスカプシドcapsidカプシド（capsid）capsid（カプシド）へパッケージcage (spinal fusion implant)ケージ（cage (spinal fusion implant)）cage (spinal fusion implant)（ケージ）されウイルスゲノムとして機能する必要がある
この大きな転写産物、および選択的スプライシングalternative splicing選択的スプライシング（alternative splicing）alternative splicing（選択的スプライシング）されたHIV mRNAは、完全なイントロンをなお保持している。宿主細胞がこの輸出過程を妨げる機構は、ウイルスが放出する特異的タンパクspecific protein特異的タンパク（specific protein）specific protein（特異的タンパク）質によって遮断される。輸出されたRNAの多くはタンパク質へ翻訳され、全長転写産物は感染組織内で容易に拡散しうる新しいウイルス粒子へパッケージcage (spinal fusion implant)ケージ（cage (spinal fusion implant)）cage (spinal fusion implant)（ケージ）される

RNA編集

RNAポリメラーゼによって生成された後の、RNA分子内の特定ヌクレオチド配列への離散的な変化。編集イベントには、編集されるRNA分子内のヌクレオチドの挿入・欠失・塩基置換が含まれうる。

mRNA編集の2つの主要な型：

型	内容
A-to-I編集	アデノシンの脱アミノ化deamination脱アミノ化（deamination）deamination（脱アミノ化）によりイノシンinosineイノシン（inosine）inosine（イノシン）を生成
C-to-U編集	シトシンの脱アミノ化deamination脱アミノ化（deamination）deamination（脱アミノ化）によりウラシルuracilウラシル（uracil）uracil（ウラシル）を生成

これらの化学修飾chemical modification化学修飾（chemical modification）chemical modification（化学修飾）は塩基の対合synapsis対合（synapsis）synapsis（対合）特性を変化させ（IはCと対合synapsis対合（synapsis）synapsis（対合）、UはAと対合synapsis対合（synapsis）synapsis（対合））、RNAの意味に重大な影響を与えうる。

効果：

編集がコード領域で起こる場合、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）を変化させうる（終止コドンstop codon終止コドン（stop codon）stop codon（終止コドン）の導入）
編集がコード配列coding sequenceコード配列（coding sequence）coding sequence（コード配列）外で起こる場合、pre-mRNAスプライシングのパターン・mRNAの核-細胞質輸送・翻訳に影響しうる。マイクロRNA（miRNA）と塩基対base pairing塩基対（base pairing）base pairing（塩基対）を形成し翻訳を阻害→mRNA分解を招くこともある

A-to-I編集

ADAR（RNA作用性アデノシンデアミナーゼadenosine deaminase (ADA)アデノシンデアミナーゼ（adenosine deaminase (ADA)）adenosine deaminase (ADA)（アデノシンデアミナーゼ）、adenosine deaminase acting on RNA）がアデノシンを脱アミノ化deamination脱アミノ化（deamination）deamination（脱アミノ化）しイノシンinosineイノシン（inosine）inosine（イノシン）を生成する
哺乳類mammal哺乳類（mammal）mammal（哺乳類）における主要な形式のRNA編集で、dsRNA領域で起こる

C-to-U編集

シトシンデアミナーゼdeaminaseデアミナーゼ（deaminase）deaminase（デアミナーゼ）がシトシン塩基を脱アミノ化deamination脱アミノ化（deamination）deamination（脱アミノ化）しウラシルuracilウラシル（uracil）uracil（ウラシル）へ変換する
腸の特定の細胞では、アポリポタンパクapolipoproteinアポリポタンパク（apolipoprotein）apolipoprotein（アポリポタンパク）質B（apolipoprotein B）のmRNAがC-to-U編集を受け、早期終止コドンstop codon終止コドン（stop codon）stop codon（終止コドン）を作る→タンパク質の短縮型が産生される（腸へ運ばれる）
肝臓の細胞ではこの編集酵素が発現しないため、全長のアポリポタンパクapolipoproteinアポリポタンパク（apolipoprotein）apolipoprotein（アポリポタンパク）質Bが産生される

⭐ タンパク質アイソフォームprotein isoformタンパク質アイソフォーム（protein isoform）protein isoform（タンパク質アイソフォーム）＝単一遺伝子に由来する類似タンパク質。同じ遺伝子から組織によって異なる長さのタンパク質が作られるこの例は、RNA編集が組織特異的なタンパク質多様性を生む仕組みを端的に示している。

flowchart TD
  A["1つのpre-mRNA（1遺伝子）"] --> B["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='alternative splicing'>選択的スプライシング</span>：使用<span class='jp-term jp-term-diagram' title='exon'>エキソン</span>の組み合わせを変える"]
  A --> C["切断/<span class='jp-term jp-term-diagram' title='polyadenylation'>ポリアデニル化</span>部位の変化：C末端配列を変える"]
  A --> D["RNA編集（A→I、C→U）：塩基そのものを書き換える"]
  A --> E["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='nuclear export'>核外輸送</span>タイミングの調節：完全長 vs スプライシング産物の選択的輸出"]
  B --> F["組織・状況特異的に異なるタンパク質産物"]
  C --> F
  D --> F
  E --> F

まとめ

転写後調節は真核生物特有の機構であり、選択的スプライシングalternative splicing選択的スプライシング（alternative splicing）alternative splicing（選択的スプライシング）（調節タンパク質による正/負のスプライス部位選択）が同一遺伝子から多様なタンパク質を生み出す中心的な仕組みである。
RNA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）部位の変化はC末端アミノ酸配列amino-acid sequenceアミノ酸配列（amino-acid sequence）amino-acid sequence（アミノ酸配列）の異なるタンパク質バリアントを生み出し（例：B細胞の膜結合型membrane-bound膜結合型（membrane-bound）membrane-bound（膜結合型）/分泌型抗体切り替え）、RNA輸送の調節（例：HIVのRev依存性核外輸送nuclear export核外輸送（nuclear export）nuclear export（核外輸送））も遺伝子発現制御に利用されうる。
RNA編集（A-to-I編集：ADAR依存性、C-to-U編集：シトシンデアミナーゼdeaminaseデアミナーゼ（deaminase）deaminase（デアミナーゼ）依存性）はコード領域でアミノ酸配列amino-acid sequenceアミノ酸配列（amino-acid sequence）amino-acid sequence（アミノ酸配列）や終止コドンstop codon終止コドン（stop codon）stop codon（終止コドン）を変化させ、組織特異的なタンパク質アイソフォームprotein isoformタンパク質アイソフォーム（protein isoform）protein isoform（タンパク質アイソフォーム）（例：アポリポタンパクapolipoproteinアポリポタンパク（apolipoprotein）apolipoprotein（アポリポタンパク）質B）を生み出す。
これら全ての機構は転写後・翻訳前の段階でmRNAに介入し、単一の遺伝子からの産物多様性を拡大する点で共通する。