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）

🧠 転写後調節post-transcriptional regulation 転写後調節（post-transcriptional regulation）post-transcriptional regulation（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RNA editing RNA編集（RNA editing）RNA editing（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post-transcriptional regulation 転写後調節（post-transcriptional regulation）post-transcriptional regulation（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。本項で扱う機構は基本的に真核生物に特徴的なものである。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。

⚠️ ただし「RNAレベルの調節は真核生物だけのもの」ではない。 細菌もmRNAの段階で発現を制御しており、リボスイッチriboswitchリボスイッチ（riboswitch）riboswitch（リボスイッチ）（mRNA内に形成される構造が低分子リガンドを直接結合し、抑制型構造をとると転写の早期終結や翻訳開始 translation initiation 翻訳開始（translation initiation） translation initiation（翻訳開始） の阻害を起こす）がその代表で、ビタミン生合成 biosynthesis 生合成（biosynthesis） biosynthesis（生合成） やアミノ酸・プリン代謝purine metabolism プリン代謝（purine metabolism）purine metabolism（プリン代謝） の経路を広く支配している¹。ほかにトランス作用性の低分子RNA（sRNA）による翻訳阻害 typical翻訳阻害（typical） typical（翻訳阻害）・mRNA分解、アテニュエーションattenuation アテニュエーション（attenuation）attenuation（アテニュエーション） （減衰）などがある。真核生物に固有なのは「核と細胞質が隔てられていること」と「スプライシングが存在すること」に由来する調節層——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）、核外輸送nuclear export 核外輸送（nuclear export）nuclear export（核外輸送） の制御、スプライシングの痕跡（エキソン接合部複合体exon junction complex (EJC)エキソン接合部複合体（exon junction complex (EJC)）exon junction complex (EJC)（エキソン接合部複合体））を使った品質管理 quality control 品質管理（quality control） quality control（品質管理） ——であって、転写後調節post-transcriptional regulation 転写後調節（post-transcriptional regulation）post-transcriptional regulation（転写後調節） という枠そのものではない。

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。

⭐ これは例外的な現象ではなく、ヒト遺伝子の既定の姿である。 次世代シーケンサによるmRNA-Seq解析から、複数エキソン exon エキソン（exon） exon（エキソン） を持つヒト遺伝子の約95%が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） を受けると推定され、主要なヒト組織には中〜高存在量の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） 事象が約10万件存在する²。同時期の独立した解析でも92〜94%という近い値が得られており、そのうち86%ではマイナーアイソフォーム isoform アイソフォーム（isoform） isoform（アイソフォーム） が全体の15%以上を占める——つまり「使われない副産物」ではなく実際に共存している³。約2万個という蛋白コード遺伝子数と、それをはるかに超えるタンパク質の多様性との落差を埋めているのが、主にこの機構である。

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

⭐ pre-mRNA分子のスプライシングは、競合するスプライス部位 splice site スプライス部位（splice site） splice site（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 cleavage site 切断部位（cleavage site） cleavage site（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：

1. 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
2. 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 cleavage site 切断部位（cleavage site） cleavage site（切断部位） 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。原因は切断刺激因子CstF (cleavage stimulation factor) 切断刺激因子（CstF (cleavage stimulation factor)）CstF (cleavage stimulation factor)（切断刺激因子） CstFのサブユニットCstF-64の濃度上昇である——B細胞が活性化されると細胞内のCstF-64が増え、これだけで上流側（弱い）ポリアデニル化 polyadenylation ポリアデニル化（polyadenylation） polyadenylation（ポリアデニル化） 部位が使われるようになり、IgM重鎖 heavy chain 重鎖（heavy chain） heavy chain（重鎖） mRNAの発現が膜結合型 membrane-bound 膜結合型（membrane-bound） membrane-bound（膜結合型） から分泌型へ切り替わる⁴。

💡 選択的な切断・ポリアデニル化polyadenylation ポリアデニル化（polyadenylation）polyadenylation（ポリアデニル化） は、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） と並ぶもう1本の柱である。 15のヒト組織・細胞株cell line 細胞株（cell line）cell line（細胞株） を深層 deep 深層（deep） deep（深層） シークエンシング sequencing シークエンシング（sequencing） sequencing（シークエンシング） した解析では、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） 事象と選択的切断・ポリアデニル化polyadenylation ポリアデニル化（polyadenylation）polyadenylation（ポリアデニル化） 事象の大半が組織間で変動し、しかも両者の組織パターンが強く相関していた³。同じ調節因子群が両方の過程に関与していると考えられ、「どのエキソン exon エキソン（exon） exon（エキソン） を使うか」と「どこで切ってポリAを付けるか」は独立した2つの旋盤ではなく、連動した1つの調節系として働いている。

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：

1. 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
2. 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 virion ウイルス粒子（virion） virion（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
3. この「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」がRevである。Revはウイルスゲノム上のRRE（Rev応答配列 response element応答配列（response element） response element（応答配列））というRNA構造に結合し、自身の核外輸送シグナル nuclear export signal (NES) 核外輸送シグナル（nuclear export signal (NES)） nuclear export signal (NES)（核外輸送シグナル） を介して宿主の輸送経路（CRM1/エクスポーチンexportin エクスポーチン（exportin）exportin（エクスポーチン） 1）に乗ることで、イントロンを持ったままのRNAを核外へ連れ出す。宿主の「スプライシングが終わるまで出さない」というチェックポイント checkpoint チェックポイント（checkpoint） checkpoint（チェックポイント） を、宿主自身の輸送機械を借りて迂回している

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 RNA editing RNA編集（RNA editing） RNA editing（RNA編集） の2つの主要な型：

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：

1. 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）
2. 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RNAmicroRNA マイクロRNA（microRNA）microRNA（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 RNA editing RNA編集（RNA editing） RNA editing（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premature stop codon 早期終止コドン（premature stop codon）premature stop codon（早期終止コドン） 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RNA editing RNA編集（RNA editing）RNA editing（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。腸で作られる短い型がapo B48、肝臓で作られる全長型がapo B100で、編集を担う酵素は1993年にラット rat ラット（rat） rat（ラット） 小腸からクローニング cloning クローニング（cloning） cloning（クローニング） された229残基のタンパク質＝APOBEC-1である⁵。

💡 RNAの安定性そのものも調節対象である（mRNAの「寿命」を決める層）。 転写後調節post-transcriptional regulation 転写後調節（post-transcriptional regulation）post-transcriptional regulation（転写後調節） は「どんな配列のmRNAを作るか」だけでなく「そのmRNAをどれだけ生かしておくか」でも働く。中心にあるのはポリA尾部の短縮（脱アデニル化deadenylation脱アデニル化（deadenylation）deadenylation（脱アデニル化））で、これが分解の律速段階 rate-limiting step 律速段階（rate-limiting step） rate-limiting step（律速段階） となり、続いて脱キャップと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） による分解が起こる。この速度を決める要素として、①3′非翻訳領域 untranslated region 非翻訳領域（untranslated region） untranslated region（非翻訳領域） のARE（AUに富む配列）に結合するタンパク質、②マイクロRNA microRNAマイクロRNA（microRNA） microRNA（マイクロRNA）、③m6A（N6-メチルアデノシン）修飾がある。m6AはYTHDF2というリーダー reader リーダー（reader） reader（リーダー） タンパク質に認識され、結合したmRNAは翻訳可能なプールから処理小体 processing body (P-body) 処理小体（processing body (P-body)） processing body (P-body)（処理小体） （processing body）などの分解部位へ移される——YTHDF2の標的は3,000を超える細胞内RNAにのぼる⁶。「配列は同じでも、塩基上の目印が付いているかどうかで寿命が変わる」という、配列に還元できない調節層である。

💡 RNA品質管理RNA quality control RNA品質管理（RNA quality control）RNA quality control（RNA品質管理） ：ナンセンス変異依存mRNA分解 nonsense-mediated mRNA decay ナンセンス変異依存mRNA分解（nonsense-mediated mRNA decay） nonsense-mediated mRNA decay（ナンセンス変異依存mRNA分解） （NMD）。 ここまでの機構が「多様性を作る」側だとすれば、NMDは「失敗作を捨てる」側である。pre-mRNAがスプライスされると、イントロンを除いた継ぎ目の近傍にエキソン接合部複合体exon junction complex (EJC) エキソン接合部複合体（exon junction complex (EJC)）exon junction complex (EJC)（エキソン接合部複合体） （EJCEJC, exon junction complex）が沈着する。正常なmRNAでは終止コドン stop codon 終止コドン（stop codon） stop codon（終止コドン） が最後のエキソン exon エキソン（exon） exon（エキソン） にあるため、最初の翻訳ラウンドでリボソームがすべてのEJCを掃き落として通過する。ところが未成熟終止コドン premature stop codon 未成熟終止コドン（premature stop codon） premature stop codon（未成熟終止コドン） （PTC）があると、その下流にEJCが取り残され、これが目印となってmRNAが分解される⁷。「スプライシングの痕跡＋翻訳」という2つの情報を突き合わせて初めて成立するため、核と細胞質が分かれスプライシングを行う真核生物ならではの仕組みである。臨床的にも重要で、ナンセンス変異nonsense mutation ナンセンス変異（nonsense mutation）nonsense mutation（ナンセンス変異） による疾患で「短縮タンパク質すら作られない」表現型はこの経路の結果であり、逆にNMDは正常なmRNAの一部（上流ORFを持つもの、スプライシング調節因子の自己制御など）も標的とする調節装置でもある。

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["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='RNA editing'>RNA編集</span>（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"]
  A --> G["安定性の調節：<span class='jp-term jp-term-diagram' title='deadenylation'>脱アデニル化</span>・ARE・miRNA・m6A/YTHDF2"]
  A --> H["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='quality control'>品質管理</span>（NMD）：<span class='jp-term jp-term-diagram' title='premature stop codon'>未成熟終止コドン</span>の下流に<span class='jp-term jp-term-diagram' title='exon junction complex'>EJC</span>が残る→分解"]
  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
  G --> F
  H --> F

まとめ

• 転写後調節post-transcriptional regulation 転写後調節（post-transcriptional regulation）post-transcriptional regulation（転写後調節） の中心は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 splice site スプライス部位（splice site） splice site（スプライス部位） 選択）で、複数エキソン exon エキソン（exon） exon（エキソン） を持つヒト遺伝子の約95%が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） を受け、主要組織で約10万件の事象が起きている。ただし「RNAレベルの調節」自体は真核生物の専売ではなく、細菌にもリボスイッチ riboswitch リボスイッチ（riboswitch） riboswitch（リボスイッチ） やsRNAがある——真核生物に固有なのは核・細胞質の分離とスプライシングに由来する層である。
• 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RNA editing RNA編集（RNA editing）RNA editing（RNA編集） （A-to-I編集：ADAR依存性、C-to-U編集：APOBEC-1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） （腸のapo B48／肝臓のapo B100）を生み出す。
• 「どんなmRNAを作るか」に加え、「どれだけ生かすか」（脱アデニル化deadenylation脱アデニル化（deadenylation）deadenylation（脱アデニル化）・ARE・miRNA・m6A/YTHDF2による安定性制御）と「失敗作を捨てるか」（EJCと翻訳を突き合わせるNMD）も転写後調節 post-transcriptional regulation 転写後調節（post-transcriptional regulation） post-transcriptional regulation（転写後調節） の柱である。
• 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。