ARN：関数、構造、タイプ - 生物学 - 2025

RNAまたはRNA（リボ核酸）は、真核生物、原核生物およびウイルス中に存在する核酸のタイプです。それは、その構造内にアデニン、グアニン、シトシンおよびウラシルの4種類の窒素含有塩基を含むヌクレオチドポリマーです。

RNAは一般に、単一のバンド（一部のウイルスを除く）として、直線的に、または一連の複雑な構造として検出されます。実際、RNAにはDNAの二重らせんには見られない構造的なダイナミズムがあります。さまざまな種類のRNAには、非常に多様な機能があります。

リボソームRNAはリボソームの一部であり、細胞内でのタンパク質合成に関与する構造です。メッセンジャーRNAは中間体として機能し、遺伝情報をリボソームに伝えます。リボソームは、メッセージをヌクレオチド配列からアミノ酸配列に変換します。

トランスファーRNAは、異なるタイプのアミノ酸を合計で-20まで活性化し、リボソームにトランスファーする役割を果たします。メッセンジャーRNAの配列を認識するアミノ酸ごとにトランスファーRNA分子があります。

さらに、タンパク質合成に直接関与せず、遺伝子調節に関与する他のタイプのRNAがあります。

構造

RNAの基本単位はヌクレオチドです。各ヌクレオチドは、窒素塩基（アデニン、グアニン、シトシン、ウラシル）、ペントース、リン酸基で構成されています。

ヌクレオチド

窒素塩基は、ピリミジンとプリンという2つの基本的な化合物に由来します。

プリンに由来する塩基はアデニンとグアニンであり、ピリミジンに由来する塩基はシトシンとウラシルです。これらは最も一般的な塩基ですが、核酸には一般的ではない他のタイプの塩基が含まれる場合もあります。

ペントースに関しては、それらはd-リボースの単位です。したがって、RNAを構成するヌクレオチドは「リボヌクレオチド」と呼ばれます。

RNA鎖

ヌクレオチドは、リン酸基が関与する化学結合によって結合されます。それらを形成するために、ヌクレオチドの5 '末端のリン酸基は、次のヌクレオチドの3'末端のヒドロキシル基（–OH）に結合され、ホスホジエステルのような結合を作成します。

核酸鎖に沿って、ホスホジエステル結合は同じ向きを持っています。したがって、3 '末端と5'末端を区別する鎖の極性があります。

慣例により、核酸の構造は、左側の5 '末端と右側の3'末端で表されます。

DNA転写のRNA産物は、塩基の積み重ねによってらせん状の構造で右に曲がる一本鎖のバンドです。プリン間の相互作用は、サイズが大きいため、2つのピリミジン間の相互作用よりもはるかに大きくなります。

RNAでは、従来の二次構造や、DNAの二重らせんなどの参照について話すことはできません。各RNA分子の3次元構造はユニークで複雑で、タンパク質の構造に匹敵します（理論的には、タンパク質の構造をグローバル化することはできません）。

RNAを安定させる力

リングが互いの上に配置されている場合、RNAの安定化、特にベーススタッキングに寄与する弱い相互作用があります。この現象は、DNAヘリックスの安定性にも貢献しています。

RNA分子が相補的な配列を見つけると、それらは結合して、右向きの二本鎖構造を形成します。主な形式はタイプAです。Z形については、実験室でのみ確認されていますが、B形は確認されていません。

一般に、RNAの末端に位置し、安定したループを形成する特殊性を持つ短い配列（UUGGなど）があります。この配列は、RNAの3次元構造のフォールディングに関与しています。

さらに、水素結合は、典型的な塩基対（AUとCG）以外のサイトでも形成されます。これらの相互作用の1つは、リボースの2'-OHと他のグループとの間で発生します。

RNAに見られるさまざまな構造の解明は、この核酸の複数の機能を実証するのに役立ちました。

RNAの種類と機能

RNAには、情報と機能の2つのクラスがあります。最初のグループには、タンパク質合成に参加し、プロセスの仲介者として機能するRNAが含まれます。情報RNAはメッセンジャーRNAです。

対照的に、機能的なものである2番目のクラスに属するRNAは、新しいタンパク質分子を生成せず、RNA自体が最終生成物です。これらはトランスファーRNAとリボソームRNAです。

哺乳動物細胞では、RNAの80％がリボソームRNA、15％がトランスファーRNAであり、ごく一部のみがメッセンジャーRNAに対応しています。これらの3つのタイプは、タンパク質の生合成を実現するために協調して機能します。

とりわけ、小さな核RNA、小さな細胞質RNA、およびmicroRNAもあります。最も重要な各タイプについて、以下で詳しく説明します。

メッセンジャーRNA

真核生物では、DNAは核に閉じ込められ、タンパク質合成はリボソームが見られる細胞の細胞質で起こります。この空間的分離のために、核から細胞質にメッセージを運ぶメディエーターがなければならず、その分子はメッセンジャーRNAです。

メッセンジャーRNAは、mRNAと略され、DNAにコード化された情報を含み、機能的なタンパク質を生成するアミノ酸配列を指定する中間分子です。

メッセンジャーRNAという用語は、1961年にフランソワヤコブとジャックモノドによって、DNAからリボソームにメッセージを伝達するRNAの部分を表すために提案されました。

DNA鎖からのmRNAの合成プロセスは転写と呼ばれ、原核生物と真核生物の間で異なって起こります。

遺伝子発現はいくつかの要因によって支配され、各細胞の必要性に依存します。転写は、開始、伸長、終了の3つの段階に分かれています。

転写

各細胞分裂で発生するDNA複製のプロセスは、染色体全体をコピーします。ただし、転写プロセスははるかに選択的であり、DNA鎖の特定のセグメントの処理のみを扱い、プライマーを必要としません。

大腸菌-生命科学で最もよく研​​究されている細菌-の転写は、DNA二重らせんの巻き戻しから始まり、転写ループが形成されます。酵素RNAポリメラーゼはRNAの合成に関与し、転写が続くと、DNA鎖は元の形状に戻ります。

開始、延長、終了

転写はDNA分子のランダムな部位で開始されません。プロモーターと呼ばれるこの現象に特化したサイトがあります。大腸菌では、RNAポリメラーゼはターゲット領域の上の数塩基対に結合しています。

転写因子が結合している配列は、異なる種間でかなり保存されています。最もよく知られているプロモーター配列の1つはTATAボックスです。

伸長において、RNAポリメラーゼ酵素は、5 'から3'の方向に従って、3'-OH末端に新しいヌクレオチドを追加します。ヒドロキシル基は求核試薬として機能し、追加されるヌクレオチドのアルファリン酸を攻撃します。この反応はピロリン酸塩を放出します。

DNA鎖の1つだけがメッセンジャーRNAの合成に使用され、3 'から5'方向にコピーされます（新しいRNA鎖の逆平行の形）。追加するヌクレオチドは、塩基のペアリングに準拠している必要があります。UはAとペアになり、GはCとペアになります。

RNAポリメラーゼは、シトシンとグアニンが豊富な領域を見つけると、プロセスを停止します。最終的に、新しいメッセンジャーRNA分子は複合体から分離されます。

原核生物での転写

原核生物では、メッセンジャーRNA分子が複数のタンパク質をコードできます。

mRNAがタンパク質またはポリペプチドのみをコードする場合、それはモノシストロニックmRNAと呼ばれますが、複数のタンパク質産物をコードする場合、mRNAはポリシストロニックです（この文脈では、シストロンという用語は遺伝子を指します）。

真核生物の転写

真核生物では、mRNAの大部分がモノシストロン性であり、この系統の生物では転写機構がはるかに複雑です。それらは、それぞれ特定の機能を備えた、I、II、およびIIIで示される3つのRNAポリメラーゼを有することを特徴とする。

IはプレrRNAの合成を担当し、IIはメッセンジャーRNAといくつかの特別なRNAを合成します。最後に、IIIはトランスファーRNA、リボソーム5S、およびその他のsmall RNAを処理します。

真核生物のメッセンジャーRNA

メッセンジャーRNAは、真核生物で一連の特定の修飾を受けます。1つ目は、5 '末端に「キャップ」を追加することです。化学的には、キャップは、5 '、5'-三リン酸結合によって末端に結合した7-メチルグアノシン残基です。

このゾーンの役割は、リボヌクレアーゼ（RNAをより小さな成分に分解する酵素）による分解からRNAを保護することです。

さらに、3 '末端の脱離が起こり、80〜250個のアデニン残基が追加されます。この構造はpolyA "tail"として知られており、さまざまなタンパク質の結合部位として機能します。原核生物がポリA尾部を獲得すると、その分解を刺激する傾向があります。

一方、このメッセンジャーはイントロンで転写されています。イントロンは、遺伝子の一部ではないがその配列を「中断」するDNA配列です。イントロンは翻訳されないため、メッセンジャーから削除する必要があります。

ヒストンをコードする遺伝子を除いて、ほとんどの脊椎動物の遺伝子にはイントロンがあります。同様に、遺伝子内のイントロンの数は、数個から数十個までさまざまです。

スプライシング

RNAのスプライシングまたはスプライシングプロセスには、メッセンジャーRNAのイントロンの除去が含まれます。

核またはミトコンドリア遺伝子に見られるいくつかのイントロンは、酵素やATPの助けを借りずにスプライシングプロセスを実行できます。代わりに、プロセスはエステル交換反応によって実行されます。このメカニズムは、繊毛虫原虫Tetrahymena thermophilaで発見されました。

対照的に、自分のスプライシングを仲介できないメッセンジャーの別のグループがあるため、追加の機械が必要です。かなり多くの核遺伝子がこのグループに属しています。

スプライシングプロセスは、スプライセオソームまたはスプライシングコンプレックスと呼ばれるタンパク質複合体によって媒介されます。このシステムは、小さな核リボ核タンパク質（RNP）と呼ばれる特殊なRNA複合体で構成されています。

RNPには5つのタイプがあります。U1、U2、U4、U5、およびU6です。これらは核にあり、スプライシングプロセスを仲介します。

スプライシングは複数のタイプのタンパク質を生成することができます-これは代替スプライシングとして知られています-エクソンが異なって配置され、さまざまなメッセンジャーRNAを作成するためです。

リボソームRNA

リボソームRNA、略してrRNAはリボソームに含まれ、タンパク質の生合成に関与しています。したがって、それはすべての細胞の不可欠なコンポーネントです。

リボソームRNAはタンパク質分子（約100）と結合して、リボソームプレサブユニットを生成します。それらは、堆積係数に応じて分類され、Svedberg単位の文字Sで示されます。

リボソームは2つの部分で構成されています：メジャーサブユニットとマイナーサブユニット。両方のサブユニットは、堆積係数の点で原核生物と真核生物で異なります。

原核生物には大きな50Sサブユニットと小さな30Sサブユニットがありますが、真核生物では大きなサブユニットは60Sと小さな40Sです。

リボソームRNAをコードする遺伝子は、核小体、膜によって区切られていない核の特定の領域にあります。リボソームRNAは、この領域でRNAポリメラーゼIによって転写されます。

大量のタンパク質を合成する細胞; 核小体は顕著な構造です。しかし、問題の細胞が多数のタンパク質産物を必要としない場合、核小体はほとんど知覚できない構造です。

マイクロRNA

マイクロRNAまたはmiRNAは、21〜23ヌクレオチドの短い一本鎖RNAの一種であり、その機能は遺伝子の発現を調節することです。それはタンパク質に翻訳されないので、それはしばしば非コードRNAと呼ばれます。

他のタイプのRNAと同様に、microRNAプロセッシングは複雑で、多くのタンパク質が関与しています。

マイクロRnaは、mi-priRNAと呼ばれるより長い前駆体から生じ、遺伝子の最初の転写物に由来します。細胞の核では、これらの前駆体がマイクロプロセッサー複合体で修飾され、結果がプレmiRNAになります。

Pre-miRNAは70ヌクレオチドのヘアピンで、ダイサーと呼ばれる酵素によって細胞質で処理され続けます。これは、RNA誘導サイレンシングコンプレックス（RISC）を組み立て、最終的にmiRNAが合成されます。

これらのRNAは特定のメッセンジャーRNAに相補的であるため、遺伝子の発現を調節することができます。それらのターゲットと交配することにより、miRNAはメッセンジャーを抑制したり、メッセンジャーを分解したりすることができます。その結果、リボソームは前記転写産物を翻訳することができない。

RNAサイレンシング

マイクロRNAの特定のタイプの1つは、サイレンシングRNAとも呼ばれる低分子干渉RNA（siRNA）です。それらは20〜25ヌクレオチドの短いRNAであり、特定の遺伝子の発現を妨げます。

それらは興味のある遺伝子を沈黙させ、それによってその可能な機能を研究することを可能にするので、研究のための非常に有望な道具です。

DNAとRNAの違い

DNAとRNAは核酸であるため、一見すると非常によく似ていますが、いくつかの化学的および構造的特性が異なります。DNAはダブルバンド分子であり、RNAはシングルバンドです。

そのため、RNAはより用途の広い分子であり、多種多様な3次元形状をとることができます。ただし、特定のウイルスはその遺伝物質にダブルバンドRNAを持っています。

RNAヌクレオチドでは糖分子はリボースであるが、DNAではデオキシリボースであり、酸素原子の存在のみが異なる。

DNAとRNAのバックボーンにあるホスホジエステル結合は、酵素が存在しないとゆっくりと加水分解する傾向があります。アルカリ性条件下では、RNAは余分なヒドロキシル基のおかげで急速に加水分解しますが、DNAはそうではありません。

同様に、DNAのヌクレオチドを構成する窒素含有塩基は、グアニン、アデニン、チミン、およびシトシンです。対照的に、RNAではチミンがウラシルに置き換わります。ウラシルはDNAのチミンと同じようにアデニンとペアリングできます。

起源と進化

RNAは、情報を格納し、同時に化学反応を触媒できる唯一の既知の分子です。このため、何人かの著者は、RNA分子が生命の起源において重要であると提案しています。驚くべきことに、リボソームの基質は他のRNA分子です。

リボザイムの発見は「酵素」の生化学的再定義につながりました-以前はこの用語は触媒活性を持つタンパク質にのみ使用されていたため-生命の最初の形態が遺伝物質としてRNAのみを使用するシナリオをサポートするのに役立ちました。

参考文献

1. アルバーツB、ジョンソンA、ルイスJなど。（2002）。細胞の分子生物学。第4版。ニューヨーク：ガーランドサイエンス。DNAからRNAへ。ncbi.nlm.nih.govで入手可能
2. Berg、JM、Stryer、L。、およびTymoczko、JL（2007）。生化学。私は逆転した。
3. キャンベル、NA、およびリース、JB（2007）。生物学。Panamerican Medical Ed。
4. グリフィス、AJF、ゲルバート、WM、ミラー、JHなど （1999）。現代の遺伝分析。ニューヨーク：WHフリーマン。遺伝子とRNA。ncbi.nlm.nih.govで入手可能
5. ガイトン、AC、ホール、JE&ガイトン、AC（2006）。医学生理学の条約。エルゼビア。
6. ホール、JE（2015）。ガイトンとホールの医学生理学eの教科書–本。Elsevier Health Sciences。
7. Lodish、H.、Berk、A.、Zipursky、SLなど。（2000）分子細胞生物学。第4版。ニューヨーク：WHフリーマン。セクション11.6、rRNAおよびtRNAの処理。ncbi.nlm.nih.govで入手可能
8. Nelson、DL、Lehninger、AL、&Cox、MM（2008）。生化学のレーニンガー原理。マクミラン。