RNA構造：同定から機能まで、10年の回顧と展望
はじめに RNAはDNAとタンパク質の「メッセンジャー」だけではありません——複雑な機能構造に折りたたまれます。tRNA、リボソームRNA、リボスイッチなど、RNA構造の重要性は以前から知られていましたが、ハイスループットシーケンシング技術の登場により、「RNA構造はあらゆる生物のあらゆるRNAに存在する」ことが本当に理解されるようになりました。 この総説（Caoら、2024、Nature Reviews Molecular Cell Biologyは、過去10年間のRNA構造研究の技術進展、遺伝子制御におけるRNA構造の役割、およびRNA構造を標的とした医薬開発について体系的にまとめています。 一、RNA構造を研究する技術の進展 1. 従来法の限界 初期のRNA構造研究は主に生物物理学的技術に依存していました： X線結晶学：分解能は高いが結晶化が必要で、短いRNAに適しています NMR：溶液中で研究できますが分子量に制限があります クライオ電子顕微鏡（cryo-EM）：近年大きな進展がありましたが、まだ課題が残っています 生化学的手法としては： ヌクレアーゼ消化：RNase T1/S1（一本鎖）、RNase V1（二本鎖） 化学修飾：DMS（A/C修飾）、SHAPE（2’-OH修飾） しかし、これらの方法は通常単一のRNAしか研究できず、電気泳動による検出に時間がかかり、全トランスクリプトーム規模には適していません。 2. ハイスループットシーケンス時代 2010年以降、ハイスループットシーケンスはこの分野を一変させました： 化学プローブ法（Chemical Probing） 原理：化学修飾後、逆転写酵素が修飾部位で停止または変異を導入し、シーケンスで位置を特定します 一般的な試薬： DMS：生体内外で使用可能、A/Cを修飾 SHAPE（NAI、2A3）：4種類すべての塩基の柔軟な2’-OHを修飾 検出方法： RT-stall：逆転写停止、切断部位を測定 MaP（Mutational Profiling）：変異プロファイル、より正確 近接ライゲーション法（Proximity Ligation） 原理：架橋後、相互作用するRNA断片を結合させ、シーケンスで同定します 方法： PARIS、SPLASH、LIGR-seq、COMRADES：ソラレン架橋に基づき、直接の塩基対合を捕捉 CLASH、hiCLIP、CRIC-seq、RIC-seq：タンパク質-RNA架橋に基づき、タンパク質介在の相互作用を捕捉 利点：長距離の分子内または分子間相互作用を同定できます 新技術の方向性 単細胞、単分子：smStructure-seq、Nano-DMS-MaP ナノポア直接シーケンス：逆転写のバイアスを回避 AI支援：深層学習と組み合わせて構造を予測 3. 計算ツール 構造予測：RNAfold、CONTRAfold、EternaFold データ処理：シーケンスリードから化学的反応性を推測 コンフォメーション解析：RING-MaP、DREEM、DANCE-MaP、DRACO（混合集団から異なるコンフォメーションを分解） AI手法：SPOT-RNA、MXfold2、Ufold、DRfold、trRosettaRNA、ARES 二、遺伝子制御におけるRNA構造の役割 1. 転写制御 原核生物： リボスイッチ（Riboswitch）：代謝産物を感知し、構造変化により転写終結を制御 転写一時停止はリボスイッチの折りたたみに時間枠を提供 真核生物： 転写速度は共転写折りたたみに影響：遅いPol IIはよりコンパクトな構造をもたらし、スプライシングと編集に影響 lncRNA構造：7SKのコンフォメーション変化はP-TEFb活性を制御；COOLAIR構造は温度に応答してFLC（開花）を制御 2. RNAスプライシング 局所構造：5’スプライス部位の最初の2ヌクレオチドが対合していないことが認識に重要です 長距離対合： ショウジョウバエDscam遺伝子は競合的RNA対合により相互排他的スプライシングを実現 哺乳動物ではRBFOXタンパク質が遠位のRNA対合を介してスプライシングを制御 逆スプライシングによるcircRNAの生成もAlu反復配列の対合に依存します 3. 翻訳制御 5’ UTR構造： 熱力学的に安定な構造はスキャンを妨げます RNA温度計：高温で融解し、RBSを露出（リステリア菌の病原性遺伝子など） 鉄応答要素（IRE）：鉄調節タンパク質に結合 uORF近傍のヘアピンの動的制御により開始コドン選択を調節 **G-四重鎖（rG4）： 5’ UTRのrG4は翻訳を抑制し、ヘリカーゼ（DHX36など）が必要です 植物ではJULタンパク質がrG4に結合して師部発達を制御 IRES：ウイルスおよび一部の細胞mRNAのキャップ非依存的翻訳 CDS構造：開始コドン下流約70ntの高度に折りたたまれた構造はヘリカーゼ（Dhh1/DDX6）が必要です 3’ UTR構造：rG4も翻訳を抑制します；RBP結合は5’-3’コミュニケーションを促進します 4. RNA分解 3’ UTR全体の構造化：通常、安定性と正の相関があります 構造動態：ゼブラフィッシュの母性-接合体転換（MZT）中に3’ UTR構造が再構築され、Elavl1a結合を制御してmRNAの運命を決定します タンパク質認識：AUF1、HuRは一本鎖AREを認識；STAU1、regnase 1、roquinは二本鎖またはステムループを認識します 5. RNA局在 RNA zipcode：定義された構造がRBPに認識され、細胞骨格に沿って輸送されます 酵母ASH1：ステムループ構造が娘細胞局在を決定 ショウジョウバエbicoid、oskarなど：母性mRNAの非対称局在 哺乳動物ACTB：3’ UTR zipcodeが線維芽細胞前縁局在を決定 植物長距離輸送：tRNA様構造がmRNAの師部全身移動を促進します ウイルスRNA：HIV RRE、レトロウイルスCTEが核外輸送を媒介します 6. RNA構造依存性凝集体 RNA-RNA相互作用： 酵母ストレス顆粒はアンチセンスRNA-mRNA対合に富みます ループ-ループ塩基対合がRNA多量体化を駆動します GGGGCCリピート（ALS/FTD）は分子間rG4を形成して凝集を誘導します 植物SHR mRNAのrG4が内皮細胞凝集を引き起こします RNA-タンパク質相分離： 一本鎖RNAはpolyQタンパク質Whi3の凝集を促進します SARS-CoV-2ゲノム二本鎖RNAはNタンパク質の凝集を促進します NEAT1は骨格としてparaspecklesを形成します rG4とi-motifはヒストンH1と液滴を形成します 三、RNA構造を標的とした医薬開発 かつてRNAは「創薬不可能」と考えられていました——特異的な「ポケットがないためです。しかし今状況は変わりました。 ...