コア コンセプト
このチュートリアルでは、リボ核酸 (RNA) についてすべて学びます。核酸の紹介から始めます。これには、DNA と RNA の 2 つの主なタイプの比較が含まれます。次に、転写プロセスによる RNA の合成について説明し、さまざまな種類の RNA (およびその機能) を考察し、真核生物と原核生物の両方における RNA プロセッシングを分析します。最後に、RNA に関するその他の興味深い事実を紹介します!
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核酸入門
核酸は、すべての生物やウイルスに見られる複雑な有機物質です。それらは、生体高分子の 4 つの主要なクラスの 1 つです (脂質、タンパク質、および炭水化物と共に)。核酸は細胞内で多くの機能を持っています。これらには、遺伝情報の保存と伝達、およびタンパク質合成における重要な役割が含まれます。核酸は、分子クローニングや PCR などの技術で実装される場合、研究の文脈でも重要です。
核酸は、ヌクレオチドとして知られる化学構成要素で構成されています。各ヌクレオチドは、リン酸基、5炭素糖分子、および窒素含有塩基で構成されています。ヌクレオチドはホスホジエステル結合によって結合され、糖-リン酸骨格を形成します。さらに、核酸鎖には方向性がある。ヌクレオチドの配列は、5' 末端 (遊離リン酸基が糖分子の 5' 炭素に結合する場所) で始まり、3' 末端 (遊離ヒドロキシル基が糖分子の 3' 炭素に結合する場所) で終了します。砂糖分子）。
核酸には、主にデオキシリボ核酸 (DNA) とリボ核酸 (RNA) の 2 種類があります。 DNA と RNA は、いくつかの重要な点で互いに異なります。まず、DNA には糖デオキシリボースが含まれていますが、RNA には糖リボースが含まれています。第二に、DNA と RNA は塩基組成が異なります。それらはそれぞれ窒素塩基のアデニン、シトシン、およびグアニンを含んでいます。ただし、DNA はベースのチミンを使用しますが、RNA はベースのウラシルを使用します。最後に、ほとんどの場合、DNA は二本鎖分子ですが、RNA は一本鎖分子です。
RNAの合成
リボ核酸 (RNA) は、転写として知られるプロセスを通じて、DNA によってコードされた遺伝情報から合成されます。転写は、開始、伸長、終結の 3 つのステップで行われます。
- イニシエーション: 転写は、酵素 RNA ポリメラーゼがプロモーターと呼ばれる DNA の特定の配列に結合することから始まります。これにより、DNA 二重らせんが巻き戻され、DNA 鎖が分離されます (相補的な塩基対間の水素結合が切断されます)。
- 伸び: DNA の 1 つの鎖は、RNA 合成のテンプレートとして機能します。 RNA ポリメラーゼはテンプレートを読み取り、相補的な塩基対を使用してヌクレオチドを (1 つずつ) 追加し、新しい RNA 鎖を構築します。 DNA テンプレートは、RNA ポリメラーゼによって 3' から 5' 方向に読み取られます。ただし、RNA 転写産物は 5' から 3' 方向に合成されます。
- 終了: 伸長は、RNA ポリメラーゼがターミネーターとして知られる DNA の配列に遭遇したときに終了し、RNA 転写が完了したことを知らせます。 RNA ポリメラーゼは DNA テンプレートから分離し、新たに合成された RNA 分子を放出します。
RNAの種類
最もよく知られている 3 種類の RNA は、メッセンジャー RNA (mRNA)、トランスファー RNA (tRNA)、およびリボソーム RNA (rRNA) です。これらの分子はそれぞれ、タンパク質合成と生物学のセントラル ドグマにおいて重要な役割を果たしています。
メッセンジャー RNA
メッセンジャー RNA (mRNA) は、DNA から細胞の細胞質にあるリボソームに遺伝情報を伝達します。リボソームは、mRNA を使用して、翻訳として知られるプロセスを通じてタンパク質を作成します。 mRNA の分子は、コドンとして知られる一連の 3 つのヌクレオチド単位に分割されます。各コドンは、タンパク質合成の終了を知らせる停止コドンを除いて、特定のアミノ酸に対応しています。
RNA の転送
トランスファー RNA (tRNA) は、3 つの主要なタイプの RNA の中で最小のもので、通常は 1 分子あたり 70 ～ 90 ヌクレオチドしかありません。これは、mRNA の分子と成長するアミノ酸鎖との間のリンク (またはブリッジ) として機能します。 tRNA の一方の端には、アンチコドンと呼ばれる 3 つの隣接するヌクレオチドのシーケンスが含まれていますが、もう一方の端には、特定のアミノ酸が結合するアクセプター ステムが含まれています。 tRNA の分子はアミノ酸をリボソームに運び、そこでアンチコドンが相補的な mRNA コドンと結合します。その結果、アミノ酸は、mRNA 転写物によって指示された順序で一度に 1 つずつ配列に追加されます。
リボソーム RNA
リボソーム RNA (rRNA) は最も豊富な種類の RNA で、細胞内の RNA の約 80% を占めています。トランスファー RNA と同様に、rRNA はノンコーディングです (つまり、タンパク質に翻訳されません)。さらに、rRNA はタンパク質と結合してリボソームの小サブユニットと大サブユニットを形成するため、リボソームの主要な構成要素です。リボソーム RNA は、翻訳中の mRNA、tRNA、およびリボソームの適切な整列を保証します。また、アミノ酸間のペプチド結合の形成を触媒するのにも役立ちます.
RNA 処理
RNA プロセッシングとは、新たに合成された RNA 分子が成熟した完全に機能する形に発展する一連の出来事を指します。トランスファー RNA とリボソーム RNA の転写後修飾は、真核細胞と原核細胞でかなり類似しています。ただし、メッセンジャー RNA の処理に関しては、真核生物と原核生物の間には大きな違いがあります。
原核細胞では、転写と翻訳の両方が細胞質で行われます。その結果、これらのプロセスは同時に発生する可能性があり、原核生物ではmRNAの処理がほとんどまたはまったくないことを意味します.真核細胞では、転写は核で行われ、翻訳は細胞質で行われます。真核生物の前駆体 mRNA (mRNA 前駆体) を核外に輸送してタンパク質に翻訳できる成熟した mRNA に変換するには、3 つの主要な処理ステップが必要です。これらのステップ (以下にリストおよび詳細を記載) には、5' キャップの付加、3' ポリ A テールの付加、および RNA スプライシングが含まれます。
- 5 フィート キャッピング: 修飾されたグアニン ヌクレオチド (5' キャップと呼ばれる) が pre-mRNA の 5' 末端に付加されます。 5 'キャップは、翻訳中にリボソームがmRNAに付着するのを助け、核からのmRNAの輸出を調節します。また、エキソヌクレアーゼによる分解から mRNA の 5' 末端を保護します。
- 3 フィートのポリアデニル化: pre-mRNA の 3' 末端がトリミングされ、アデニン ヌクレオチドのストレッチが追加されて、ポリアデニル化 (ポリ A) テールが形成されます。 3' ポリ A テールは、mRNA を安定化し、酵素による分解を防ぎ、核外への移行を促進します。
- RNA スプライシング: Pre-mRNA には、イントロン (非コード領域) とエクソン (コード領域) が含まれています。この過程で、スプライソソームとして知られる大きな RNA タンパク質複合体がイントロンを取り除き、エクソンを結合します。
RNA に関する興味深い事実
- RNA は DNA よりも反応性が高い (そして安定性が低い)。これは主に、RNA のリボース糖の 2' 炭素に余分なヒドロキシル基が存在するためであり、加水分解を受けやすくなっています。
- 酵素の大部分はタンパク質ですが、RNA 分子が生化学反応を触媒することも可能です。これらの RNA 触媒はリボザイムとして知られており、RNA スプライシング、トランスファー RNA 生合成、その他多くの重要なプロセスにおいて重要な役割を果たしています。
- RNA ワールド仮説は、進化において RNA が DNA やタンパク質に先行したことを提唱しています。この理論は、分子が遺伝情報を伝達し (DNA のように)、化学反応を促進する (タンパク質のように) 能力があることから、地球上の最も初期の生命体は RNA のみを使用していたことを示唆しています。
- 特定のワクチン (Pfizer-BioNTech や Moderna COVID-19 ワクチンなど) は、メッセンジャー RNA を利用して、将来の感染からの保護に役立つ免疫反応を引き起こします。
- HIV や HTLV-1 などのレトロウイルスは、遺伝物質として (DNA ではなく) RNA を使用します。これらのウイルスは、逆転写プロセスを通じて RNA テンプレートから DNA のコピーを生成できます。彼らは酵素逆転写酵素を使用して DNA を合成し、侵入した宿主細胞のゲノムに挿入することができます。
- ステム ループ (またはヘアピン ループ) は、RNA 構造の必須要素です。それらは、分子内塩基対形成の結果として、RNA 鎖がそれ自体に折り畳まれるときに形成されます。たとえば、tRNA には、三つ葉のクローバーに似た独自の構造を形成するのに役立ついくつかのステム ループが含まれています。
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