脳科学辞典 - 利用者の投稿記録 [ja]

RNA結合タンパク質

2016-02-02T03:48:32Z

Masatoyano: /* 機能 */

<div align="right">
<font size="+1">[http://researchmap.jp/taroshiro 矢野真人]</font><br>
''新潟大学''<br>
DOI：<selfdoi />　原稿受付日：2016年1月23日　原稿完成日：2016年月日<br>
担当編集委員：[http://researchmap.jp/read0080380 上口裕之]（国立研究開発法人理化学研究所脳科学総合研究センター）<br>
</div>

英：RNA-binding protein

英語略：RNABPs、RBPs

同義語：RNA結合性タンパク質

{{box|text=　RNA結合タンパク質は、細胞内に発現する1本鎖、あるいは2本鎖RNAと結合するタンパク質の総称で、リボヌクレオタンパク質複合体の構成因子である。細胞質もしくは核内に局在し、[[mRNA]]が成熟し核外へと輸送される過程において、核内ではヘテロリボヌクレオタンパク質（hnRNPs）と呼ばれるタンパク質群と未成熟な前駆体mRNA（pre-mRNA）との複合体として存在する。様々な細胞機能において重要な役割を担い、特に転写後調節機構、すなわちRNAのスプライシング、ポリアデニル化、mRNAの安定化、局在、[[翻訳]]において主要な役割を果たしている。[[ヒト]]ゲノム中のタンパク質をコードする遺伝子の約7.5%にあたる約1542種類存在し、進化に伴うイントロン配列や非コードRNAの増大と発現制御の仕組みと密接に関わると考えられている。またHITS-CLIP法やリボソームプロファイリングなどといった近年の解析技術の進展により、それぞれのRNA結合タンパク質の詳細な脳機能における役割が理解され始めている。}}

==RNA結合タンパク質とは==
　RNA結合タンパク質は、細胞内に発現する1本鎖、あるいは2本鎖RNAと結合するタンパク質の総称で、リボヌクレオタンパク質複合体の構成因子である。RNA結合タンパク質は細胞質もしくは核内に局在し、[[mRNA]]が成熟し核外へと輸送される過程において、核内ではヘテロリボヌクレオタンパク質（hnRNPs）と呼ばれるタンパク質群と未成熟な前駆体mRNA（pre-mRNA）との複合体として存在する。RNA結合タンパク質は様々な細胞機能において重要な役割を担っているが、特に転写後調節機構、すなわちRNAのスプライシング、ポリアデニル化、mRNAの安定化、局在、[[翻訳]]において主要な役割を果たしている。近年の研究によりRNA結合タンパク質の数は予想をはるかに超え、[[ヒト]]ゲノム中のタンパク質をコードする遺伝子の約7.5%にあたる約1542種類も存在する事が分かってきた<ref name=ref1 />。このRNA結合タンパク質の多様性は、進化に伴うイントロン配列や非コードRNAの増大と発現制御の仕組みと密接に関わることが考えられている。

== 構造 ==
　RNA結合タンパク質は、RNA結合ドメイン（モチーフ）を持つタンパク質で、その中でも[[RRM型]]（RNA-recognition motif）のドメインを有するタンパク質が最も多く存在する。その他、アルギニン/グリシンリッチな[[RGGドメイン]]、[[RNAヘリカーゼ]]に多く存在する[[DEAD-boxドメイン|DEAD-box型]]、[[二本鎖RNA結合ドメイン]]（dsRBD）、[[Znフィンガードメイン|Znフィンガー型]]、[[KH型ドメイン]]を有するRNA結合タンパク質とつづく。また、これらのRNA結合性ドメインを有するものより少数にはなるが、生殖細胞の[[分化]]やゲノム情報維持機構に働く、[[Tudor]]、[[Piwi]]もRNA結合ドメインの一種に数えられる<ref name=ref1><pubmed>25365966</pubmed></ref>。

==機能 ==
　RNA結合タンパク質は、ゲノム上の約90%近くと見積もられる領域から転写された膨大なRNA群に結合する因子の総称である。そのため、それぞれのRNA結合タンパク質は、固有の結合特異性を持ちながら、[[mRNA]]や[[非コードRNA]]である[[ノンコーディングRNA#tRNA|tRNA]]、[[ノンコーディングRNA#rRNA|rRNA]]、[[ノンコーディングRNA#snRNA|snRNA]]、[[ノンコーディングRNA#snoRNA|snoRNA]]、[[ノンコーディングRNA#lncRNA|lncRNA]]、[[miRNA]]、[[ノンコーディングRNA#piRNA|piRNA]]の生合成経路全てを標的対象とし機能している。それぞれのRNAの生合成過程は、RNAとRNA結合タンパク質が複合体を形成することで行われ、RNAのプロセッシング、輸送/局在化/凝集体形成、分解、mRNAに対してはタンパク質への翻訳、[[トランスポゾン]]のトランスポジションなどを含み多岐に渡る<ref name=ref1 />。これらの制御を総称して[[転写後調節機構]]（post-transcriptional reulation）と呼ぶ。

=== 脳神経系における機能 ===
==== 神経発生の制御因子 ====
　神経系の発達や機能に寄与するRNA結合タンパク質の中で最も古典的な遺伝子として[[ショウジョウバエ]][[Elav]]（embryonic lethal abnormal vision）がある。ショウジョウバエ遺伝学により同定された分子で、神経細胞の生存や発達に重要な遺伝子であるが、神経科学分野において神経細胞の分子マーカー/発現ドライバーとしても有名である。[[哺乳類]]の神経系研究においても、[[NeuN]]（NeuN抗体は、[[RbFox3]]というRNA結合タンパク質をエピトープとする）や[[Hu]]（Elavの哺乳類ホモログ）などの神経細胞分子マーカーがあるが、これらもまたRNA結合タンパク質をコードする遺伝子群である<ref name=ref2><pubmed>1655278</pubmed></ref> <ref name=ref3><pubmed>19713214</pubmed></ref>。

　また、[[Musashi]]遺伝子は、ショウジョウバエの外感覚器の分化における非対称性分裂の異常を示す原因遺伝子として同定され、その後、哺乳類においては[[神経幹細胞]]のマーカー分子として広く利用されている（現在では、様々な組織及び癌幹細胞因子としても知られる）<ref name=ref4><pubmed>15925591</pubmed></ref>。

　また、1998年の成体脳における[[神経新生]]の発見においても、[[Musashi1]]は、成体神経幹細胞マーカー分子の一つとして成体神経新生の発見に寄与している<ref name=ref5><pubmed>9585351</pubmed></ref>。

　これら、マーカー分子としても知られるRNA結合タンパク質群は、それぞれ固有のRNA配列を持ち、標的RNA群に結合し、転写後調節を制御する事で神経系の発生や機能に関わっている。例えば、神経特異的RNA結合タンパク質[[Nova2]]は、500以上（あるいは、その数倍）の遺伝子のRNA制御、特に[[選択的スプライシング]]制御を行い、神経細胞の生存やシナプス機能に関わる分子であることが明らかとなっている<ref name=ref6><pubmed>18978773</pubmed></ref>。神経系の発生において、Nova2は、[[リーリン]]受容体の[[アダプター分子]][[Dab1]]遺伝子の選択的スプライシングを制御する事で、リーリンシグナル伝達系同様に[[大脳新皮質]][[興奮性神経細胞]]と[[小脳]][[プルキンエ細胞]]の放射状[[神経細胞移動]]を制御する分子であることが報告されている<ref name=ref7><pubmed>20620871</pubmed></ref>。

==== 病理マーカー ====
　RNA結合タンパク質研究が医学研究分野で注目を集めたのは、臨床、病理マーカーとしての発見に始まったと考えられる。1990年代に、[[傍腫瘍性神経症候群]]の患者の血清中に含まれる[[自己抗体]]の標的抗原として、Huと[[Nova]]タンパク質が同定された<ref name=ref8><pubmed>8643438</pubmed></ref> <ref name=ref9><pubmed>8398153</pubmed></ref>。興味深い事にこれら二つのタンパク質は、共に神経細胞に特異的に発現するRNA結合タンパク質であった。その後、様々なグループよりこれら神経特異的なRNA結合タンパク質が神経細胞のマーカー分子として利用されると同時にタンパク質そのものの機能解析が進められてきた。

　さらに、現在のRNA結合タンパク質研究分野の研究者人口を急速に増大させたのが、2006年の病理組織における[[TDP-43]]タンパク質の発見が一つの要因といえる<ref name=ref10><pubmed>17023659</pubmed></ref>。TDP-43は、[[筋萎縮性側索硬化症]]（[[ALS]]）や[[前頭側頭葉変性症]]（[[FTLD]]）の患者の神経細胞や[[グリア細胞]]内において、[[リン酸化]]あるいは[[ユビキチン化]]された病原性凝集体の構成分子として共通病理所見として認められている<ref name=ref10 /> <ref name=ref11><pubmed>17084815</pubmed></ref>。現在では、孤発性、家族性含めたALS患者の97％でTDP-43陽性の封入体が病理像として確認されている<ref name=ref12><pubmed>23931993</pubmed></ref>。

==== 病態の原因 ====
　神経疾患の原因遺伝子として同定されたRNA結合タンパク質の代表例として、長期にわたり世界中で研究されてきた分子が、[[脆弱性X症候群]]の原因遺伝子である[[FMRP]]である。RNA結合タンパク質FMRPは、さまざまな標的RNA群に対する[[翻訳]]抑制、生理学的にはシナプス機能への関与など様々な知見が積み重ねられてきた。

　さらに、後述する高解像度な解析技術によりFMRPが制御するRNA群の包括的解明が進むことで、脆弱性X症候群の病態解明へと近づきつつある<ref name=ref13><pubmed>21784246</pubmed></ref>。前述した病理マーカーとしてのTDP-43の発見から2年後には、孤発性、及び家族性ALSの患者にTDP-43のアミノ酸変異を伴う変異型の報告が相次ぎ、特にTDP-43遺伝子のC末領域の[[プリオン]]様構造領域にその多くの変異が見つけられた<ref name=ref14><pubmed>20400460</pubmed></ref>。このことよりTDP-43は、病理マーカーとしてだけでなく、タンパク質そのものの機能に病態解明を考える上で注目が集まった。その後、家族歴があるALS患者間で、TDP-43だけでなく、[[FUS]]や[[hnRNPA2B1]]といった多くのRNA結合タンパク質が同様にALSの原因遺伝子として同定された<ref name=ref15><pubmed>23455423</pubmed></ref> <ref name=ref12 />。これらRNA結合タンパク質の機能解析が、病気の原因解明や治療応用の可能性を秘めているため、現在、世界中で研究が盛んに行われている。

　また、RNA結合タンパク質をコードする遺伝子そのものに欠失、変異が生じないような疾患の多くもRNA結合タンパク質が病態の原因となる事が想定されている。例えば[[トリプレット病]]といった繰り返し配列を有し、繰り返し配列のRNAを高レベルで発現するような変異を持つ場合、これら非コードRNAがある特定の内在性RNA結合タンパク質のシークエスターとなり、このRNA結合タンパク質が制御する遺伝子発現プログラムに異常が生じる事が病気の一つの原因となることも考えられる。

==== 創薬の標的====
　病態解明の鍵を握るRNA結合タンパク質研究であるが、今後1542種あるRNA結合タンパク質の中からも新たな創薬の標的が発見されることが期待される。

　[[脊髄性筋萎縮症]]（[[SMA]]）は、1万人に1人程度の割合で新生児に発症する[[運動ニューロン病]]の一つであり、原因遺伝子[[SMN]]（[[survival motor neuron]]）の[[常染色体性劣性遺伝]]を示す神経難病である。SMN遺伝子には、相同遺伝子の[[SMN2]]が存在することから、SMN2の選択的スプライシングスイッチをする核酸アンチセンスオリゴヌクレオチドを用いることで、SMN2タンパク質の合成量を増加させ、SMNタンパク質の減少を補う方法で[[モデル動物]]を用いた実験で有効性が実証された<ref name=ref16><pubmed>21979052</pubmed></ref>。これは、ある種のRNA結合タンパク質-RNA相互作用を直接、核酸が抑えることで、スプライシングを制御するものだが、さらに簡便な小分子化合物の経口投与によってSMN2のスプライシング制御が可能であることが発見されるなど、急速に疾患治療へ向け進みつつある<ref name=ref17><pubmed>25104390</pubmed></ref>。

== 解析技術 ==
=== タンパク質-RNA相互作用解析技術 ===
　RNA結合タンパク質の機能解析を考える上で最も本質的な生化学的イベントがタンパク質-RNA相互作用である。とくにin vivoでRNA結合するリガンド（標的）の同定は歴史的に困難を極めた。なぜなら、RNA結合タンパク質の固有の結合コードは、非常に複雑な二次構造を認識するものからシンプルな暗号を認識するものまで様々であり、in vitroの知見からin vivoにおいて真実の標的となることを示すことは技術的に難しかった<ref name=ref18><pubmed>21935890</pubmed></ref>。

　その中で、現在最も信頼のおける解析戦略が[[HITS-CLIP法]]（[[High Through put Sequencing UV Cross Linked ImmunoPrecipitation]]）である<ref name=ref6 />。CLIP法の特徴の一つは、生きた細胞や組織をそのままUV照射する事により、細胞内で直接RNAと結合しているタンパク質の間（タンパク質-RNA=1 Å）に共有結合させるところにある。これにより、タンパク質-RNAの再結合問題を克服し、生体内における直接結合しているタンパク質-RNAの複合体中のRNAを細胞抽出液よりスナップショットする事ができる。さらに、[[次世代シークエンサー]]による膨大なRNA配列を読み込む事で、まさにUV照射時の生体内でのタンパク質-RNA相互作用をトランスクリプトームワイドに眺めることが可能となった。また、現在ではさらに進化を遂げ、一塩基解像度でタンパク質-RNA相互作用を同定できるようになっている<ref name=ref19><pubmed>24407355</pubmed></ref>。

=== マイクロアレイ、RNAseq解析 ===
　[[マイクロアレイ]]技術の進展により詳細な遺伝子発現プログラムの理解が進みつつあり、感度良く網羅的にトランスクリプトームが調べられるようになった。特に、詳細なプローブ設計を元に選択的スプライシングの割合定量も様々なアルゴリズム解析のおかげで進展してきた<ref name=ref20><pubmed>16041372</pubmed></ref>。その一方で、ゲノム上の約90％の領域から転写されるRNAとそのプロセシングを対象とするRNA結合タンパク質の解析では、現在ではそのまま発現しているmRNAをシークエンスするRNAseq解析が主流になりつつある<ref name=ref21><pubmed>18978772</pubmed></ref>。

=== リボソームプロファイリング ===
　RNA結合タンパク質が対象とする制御システムは、RNAのプロセシングやRNA量だけではない。特に、その中でも包括的な翻訳制御解析はまだまだ技術的制限があった。

　その中でIngoliaらが開発した[[リボソームプロファイリング法]]は、RNAを対象とするシークエンス技術で、細胞内のタンパク質レベルをモニターすることに成功した<ref name=ref22><pubmed>22056041</pubmed></ref>。原理は、細胞中の翻訳状態を、[[翻訳阻害剤]][[シクロヘキシミド]]で[[リボソーム]]の挙動を停止させ、次に、[[RNase]]処理により、リボソームで取り込まれていないRNAを除去し、まさにリボソームでマスクされているRNA約26-28塩基のみを生け捕りにし、シークエンス解析するという方法であった。これを全RNAシークエンスのデータからリボソームでマスクされた断片の発現量を標準化することで、翻訳効率を定量化するという戦略である。他にも、翻訳開始点の同定などにも応用可能であるが、本手法によりRNAを測定する事で、細胞内のタンパク質レベルと比較的、相関性高く解析が可能となった。

== 関連項目 ==
* [[非コードRNA]]
* [[転写後調節機構]]
* [[HITS-CLIP]]

== 参考文献 ==
<references />

ノンコーディングRNA

2016-01-22T06:29:43Z

Masatoyano: ページの作成:「ノンコーディングRNA ノンコーディングRNA（non-coding RNA、ncRNA、非コードRNA）は、タンパク質へと翻訳される伝令RNA (messenger R...」

ノンコーディングRNA

ノンコーディングRNA（non-coding RNA、ncRNA、非コードRNA）は、タンパク質へと[[翻訳]]される伝令RNA (messenger RNA, [[mRNA]])を除く全てのRNAの総称である。ノンコーディングRNAは、転移RNA（transfer RNA、[[tRNA]]）、リボソームRNA（ribosomal RNA、[[rRNA]]）、small nuclear RNA（snRNA、核内低分子RNA）、small nucleolar RNA（snoRNA、核小体低分子RNA）などの長い研究の歴史をもつ古典的ncRNA群と、1990年代以降に発見された[[miRNA]]などの機能性小分子RNA群、長鎖型ノンコーディングRNA(lncRNA)群に分類して論じられる。特に後者２つは、組織特異的な発現パターンを有することや発生、疾患との関わりが明らかになりつつあり、この分野の発展に大きく寄与している。

目次
1.ノンコーディングRNAの分類
1.1 古典的ncRNA
1.2 小分子RNA
1.3 長鎖型ncRNA
2.脳神経系における機能
2.1 miRNAの神経系における機能
2.2 lncRNAの神経系における機能
2.3 [[トランスポゾン]]の神経系における機能
3.関連項目
4.参考文献

1.ノンコーディングRNAの分類
1.1 古典的ncRNA
・転移RNA（transfer RNA、tRNA）：
76～90塩基の長さの小さなRNA。mRNAから蛋[[白質]]合成反応中に、mRNA上の塩基配列を認識し、ポリペプチド鎖にアミノ酸を転移させるためのアダプター分子。

・リボソームRNA（ribosomal RNA、rRNA）:
蛋白質合成反応を担う巨大分子リボソームの主要な構成成分。細胞内で最も発現量の高いRNA群である

・small nuclear RNA（snRNA、核内低分子RNA）:
snRNP (small nuclear ribonucleoprotein)と呼ばれるリボ[[核酸]]蛋白質複合体を形成し、RNAスプライシング反応などに関わる核内に存在する低分子RNA。

・small nucleolar RNA（snoRNA、核小体低分子RNA）:
核小体低分子リボ核酸蛋白質複合体(snoRNPs:スノープス)を形成し、rRNAなどの化学的修飾に関与する一群の低分子RNA。主に核内の核小体に局在する。

1.2 小分子RNA

・[[siRNA]] (small interfering RNA) :
21-23塩基対からなる低分子二本鎖RNAであり、RISC (RNA-induced silencing complex)に取り込まれ[[RNAi]]（RNA interference:RNA干渉）と呼ばれる転写後遺伝子発現抑制機構に関わる。この現象は、ウイルス感染など外来性因子に対する生体防御機構として進化を遂げたと考えられ、[[植物]]において最初に発見された。

・microRNA（miRNA、マイクロRNA）:
miRNAは、21-24塩基の小分子RNAで、AGO(Argonaute)とmiRISC(microRNA induced silencing complex)を形成し、特定の遺伝子のmRNAに対する相補的配列を認識し、その遺伝子の発現を抑制する。

・piRNA（Piwi-interacting RNA）:
miRNAよりも少し大きい26-31塩基の非コード小分子RNA群で、Piwiファミリー蛋白質と相互作用するRNA群である。piRNA複合体(piRISCともいう)は、生殖細胞におけるレトロトランスポゾンなどの[[エピジェネティクス]]や転写後調節に関連する。

・Y RNA:
上記小分子RNAと比べ、83-112塩基と大きい。全身性エリテマトーデス患者の自己抗原であるRo60リボ核酸蛋白質複合体の構成分子として同定された。[[DNA]]複製の開始に作用するという報告もある。

・sgRNA (single-guide RNA) :
CRISPR（clustered regulatory intersoaced short palindromic repeat:クリスパー）座位より転写される小分子RNAであるcrRNA(CRISPR RNA)とTracrRNA(Trans-acting crRNA)を組み合わせたもの。[[細菌]]や古細菌にみられる、バクテリオファージなどの外来性核酸遺伝因子を排除するための獲得[[免疫]]系として機能する座位として見つかった。(その後の応用テクノロジーは、ゲノム編集の稿を参照)

1.3 長鎖型ncRNA
・転写制御関連長鎖ncRNA:
X[[染色体]]の不活化に関わるncRNAであるXistは、長鎖型ノンコーディングRNA (long non-coding RNA: lncRNA)と略称が得られる以前より生物学的重要性が高く、ncRNA研究分野を牽引してきた分子である。このようなX染色体不活化は種を超えてncRNAが働き、クロマチン修飾因子との相互作用を介することで、遺伝子発現に対し抑制的に働いている。一方で、遺伝子発現の[[エンハンサー]]領域から転写されるlncRNA(eRNAとも呼ばれる;enhancer RNA)は、RNAポリメラーゼIIにより転写され近傍の遺伝子の発現をメディエーター複合体と強調することで転写を活性化するモデルが提唱されている。いずれにせよ、配列特異性や局在性、相互作用する分子群に応じて転写制御を正にも負にも制御していると考えられる。

・核内構造体関連長鎖ncRNA:
lncRNAの中で、ある特定の核内構造体の形成および局在性を示す発現量の非常に高い分子群である。核内構造体には、古典的なリボソームの合成の場である核小体に加え核スペックル、パラスペックルなどがある。例えば発現量が非常に高いlncRNAであるMalat1やNeat1などが広く知られており、それぞれ核スペックル、パラスペックルの構成成分として、[[RNA結合蛋白質]]との結合を介した、転写制御やスプライシング制御への関与が指摘されている。lncRNAによる転写制御と同様に相互作用するRNA結合蛋白質に対するスポンジ効果(抑制)あるいは、機能の場の提供(協調活性化)の両方が想定されている。

・細胞質長鎖ncRNA:
細胞質長鎖lncRNAには、実際は予期せぬ小分子ペプチドの産生も否定できないこと、および細胞質型lncRNA自体が機能的に解析されている代表例は少ない。一方で、最近存在が認められたスプライシング過程で産生される環状RNA(CircRNA)は、発現量も高く環状のためRNA発現の安定性も担保されることから、細胞質においてmiRNAスポンジとして働くことで、特定のmiRNAの機能抑制に働くとの報告がある。また同じような考え方で、ceRNA (competing endogenous RNA)とは、概念的であるが、miRNAと標的mRNAの相互作用およびその制御において、標的mRNA以外の別のmRNAが競合因子(ceRNA)としてmiRNA-mRNA相互作用に干渉するという機構として提唱されている。

2.脳神経系における機能
ノンコーディングRNAによる遺伝子発現制御は、脳の高次機能へ寄与していることがいくつかの状況証拠より想定される。例えば、ノンコーディング RNAが関与しうるRNA制御という観点から他の組織よりもmicro-exonを含めた選択的スプライシングに伴うアイソフォームの多様性に富んでいること1、脳特異的mRNAの非翻訳コードRNAのサイズが他のmRNAよりも300-400塩基長いこと2、[[神経幹細胞]]では[[L1]]レトロトランスポゾンが転移を起こすこと3、さらには、神経細胞にはpiRNAの発現も確認されていること4、など様々であり、これらの多様性制御とノンコーディングRNAとの関連の包括的理解が進みつつある。

2.1 miRNAの神経系における機能
ガン遺伝子として機能していることが知られるmiR-17-92クラスターは、コンディショナル欠損[[マウス]]の解析で、ガン抑制遺伝子であるPtenの抑制等を介して神経幹細胞の増殖に働くことが報告されている5。また、脳において非常に豊富に発現する代表的miRNAであるmiR-124aやmiR-9は、[[ヒト]]繊維芽細胞での強制発現系で神経細胞に[[分化]]を誘導する報告もある6ことから神経発生と深い関わりが示唆されている。マウス遺伝学を用いた解析により、miR-124a欠損マウスでは、網膜錐体視細胞の[[細胞死]]など7、mIR-9-2/3の二重欠損マウスで[[大脳皮質]]の浅薄化が報告されている8,9。成体脳において高発現するmiR-128-2は、様々な[[イオンチャネル]]や[[ERK2|Erk2]]シグナル因子群の発現を抑えることで、神経細胞の[[興奮性]]を制御していると報告されている10。また、miR-218-1/2は、[[運動ニューロン]]に豊富に発現し、運動ニューロンの生存と機能に関わることがCRISPRによるゲノム編集技術を用いた二重欠損マウスの解析により報告されている11。他にも特定のmiRNAが神経系制御を担うという面白い報告が他のncRNAと比べ多数存在するが、miRNAに対する[[ノックダウン]]や強制発現実験による効果は、非生理的な現象を反映する場合もあるという報告12を鑑みて、今回は[[ノックアウトマウス]]による知見のみを記載した。

2.2 lncRNAの神経系における機能
miRNA同様、lncRNAもまた、様々な階層における遺伝子発現制御に関わり神経機能に関わっていることが分かっている。その中でBC1 RNAは、発見からの歴史が長いが、ここでの分類では細胞質型lncRNAにあたる。BC1RNAは、代謝型[[グルタミン酸受容体]]mGluRを介した翻訳制御を抑制すること、またBC1 RNAの欠損マウスでは、てんかん様症状を呈するなどが報告されている13。HAR1Fは、ヒトと[[チンパンジー]]のゲノム間で塩基置換率の高いHAR(human accelerated region)領域の中でも特に塩基置換率の高い部位より、産生されるlncRNAである。興味深いことにHAR1Fは、ヒトの胎児期の大脳皮質の[[リーリン]]陽性の[[カハールレチウス細胞]]で特異的に発現していることから、ヒトに至る進化の過程における[[大脳皮質の発生]]と高次機能獲得との関わりについて注目を集めているが、今のところ機能未知のままである14。核内構造体関連lncRNAの中で、Pnkyは、神経幹細胞においてスプライシング因子PTBP1と相互作用し、遺伝子発現制御を担い神経分化を調節していることが報告されている15。このlncRNAは、PTBP1に対してスプライシング活性に協調機能として働いていることが示唆されている。神経分化に必須なneurogenin1遺伝子の発現調節に関わるエンハンサー領域から転写されるeRNA(エンハンサーRNA)であるutNgn1がneurogeni1遺伝子自身の転写を正に制御するlncRNAであることが報告されている16。

2.3 トランスポゾンの神経系における機能
ヒト胎児由来の[[神経前駆細胞]]を用いたin vitroの解析において、LINE1の転移が起こることが見出されている。おそらく、piRNAがこの転移を制御し、個々の神経細胞における遺伝子発現制御に対し、挿入部位依存性のモザイク性の獲得を可能とさせ、脳の多様性形成に関与することが示唆された3,17。特に統合失調症をはじめとした[[精神疾患]]患者群において優位なLINE1のコピー数の増大が認められるなど、精神疾患の病態におけるLINE-1の関与が注目されている。実際、統合失調症の大きな遺伝性リスクとされる22番染色体(22q11)欠失を持つ患者由来[[iPS細胞]]から分化させた神経細胞を用いた解析においてLINE-1のコピー数の増大が確認されている18。

2.4 その他のncRNAの神経系における機能
古典的RNAに分類されているncRNAの中でも、神経機能に関与するものも存在する。HBII-52は、乳児期早期の重度の筋緊張低下と[[摂食障害]]を示すPrader-Willi症候群(PWS)の責任領域にから発現するsnoRNAで、[[セロトニン受容体]]2c遺伝子の選択的スプライシングを制御することから、病態との関連が注目されている19。

3.関連項目
RNA結合蛋白質
転写後調節機構

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4.参考文献

1. Irimia, M. et al. A highly conserved program of neuronal microexons is misregulated in autistic brains. Cell 159, 1511-1523 (2014).
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3. Muotri, A. R. et al. Somatic mosaicism in neuronal precursor cells mediated by L1 retrotransposition. Nature 435, 903-910 (2005).
4. Lee, E. J. et al. Identification of piRNAs in the central nervous system. RNA 17, 1090-1099 (2011).
5. Bian, S. et al. MicroRNA cluster miR-17-92 regulates neural stem cell expansion and transition to intermediate progenitors in the developing mouse neocortex. Cell Rep 3, 1398-1406 (2013).
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9. Shibata, M., Kurokawa, D., Nakao, H., Ohmura, T. & Aizawa, S. MicroRNA-9 modulates Cajal-Retzius cell differentiation by suppressing Foxg1 expression in mouse medial pallium. J Neurosci 28, 10415-10421 (2008).
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11. Amin, N. D. et al. Loss of motoneuron-specific microRNA-218 causes systemic neuromuscular failure. Science 350, 1525-1529 (2015).
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16. Onoguchi, M., Hirabayashi, Y., Koseki, H. & Gotoh, Y. A noncoding RNA regulates the neurogenin1 gene locus during mouse neocortical development. Proc Natl Acad Sci U S A 109, 16939-16944 (2012).
17. Coufal, N. G. et al. L1 retrotransposition in human neural progenitor cells. Nature 460, 1127-1131 (2009).
18. Bundo, M. et al. Increased l1 retrotransposition in the neuronal genome in schizophrenia. Neuron 81, 306-313 (2014).
19. Kishore, S. & Stamm, S. The snoRNA HBII-52 regulates alternative splicing of the [[serotonin]] receptor 2C. Science 311, 230-232 (2006).

（執筆者：矢野真人、担当編集委員：上口裕之）

RNA結合タンパク質

2016-01-21T09:21:39Z

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RNA結合蛋[[白質]] RNA-binding protein

RNA結合(性)タンパク質(RNABPs、RBPsなどと略す)は、細胞内に発現する１本鎖、あるいは2本鎖RNAと結合するタンパク質の総称で、リボヌクレオ蛋白質複合体の構成因子である。RNA結合蛋白質は細胞質もしくは核内に局在し、[[mRNA]]が成熟し核外へと輸送される過程において、核内ではヘテロリボヌクレオタンパク質(hnRNPs)と呼ばれるタンパク質群と未成熟な前駆体mRNA(pre-mRNA)との複合体として存在する。RNA結合タンパク質は様々な細胞機能において重要な役割を担っているが、特に転写後調節機構、すなわちRNAのスプライシング、ポリアデニル化、mRNAの安定化、局在、[[翻訳]]において主要な役割を果たしている。近年の研究によりRNA結合蛋白質の数は予想をはるかに超え、[[ヒト]]ゲノム中の蛋白質をコードする遺伝子の約7.5%にあたる約1542種類も存在する事が分かってきた1。このRNA結合蛋白質の多様性は、進化に伴うイントロン配列や非コードRNAの増大と発現制御の仕組みと密接に関わることが考えられている。また近年の解析技術の進展により、それぞれのRNA結合蛋白質の詳細な脳機能における役割が理解され始めている。

�-目次-
1.構造と機能
1.1 RNA結合蛋白質の構造
1.2 RNA結合蛋白質の機能
2.脳神経系における機能
2.1 神経発生の制御因子としてのRNA結合蛋白質
2.2 病理マーカーとしてのRNA結合蛋白質
2.3 病態の原因としてのRNA結合蛋白質
2.4 創薬の標的としてのRNA結合蛋白質
3.解析技術
3.1蛋白質-RNA相互作用HITS-CLIP
3.2 マイクロアレイ、RNAseq解析
3.3 リボソームプロファイリング
4.関連項目
5.参考文献

�1.構造と機能
1.1 RNA結合蛋白質の構造
RNA結合蛋白質は、RNA結合ドメイン(モチーフ)を持つ蛋白質で、その中でもRRM型（RNA-recognition motif）のドメインを有する蛋白質が最も多く存在する。その他、[[アルギニン]]/グリシンリッチなRGGドメイン、RNAヘリカーゼに多く存在するDEAD-box型、二本鎖RNA結合ドメイン(dsRBD)、Znフィンガー型、KH型ドメインを有するRNA結合蛋白質とつづく。また、これらのRNA結合性ドメインを有するものより少数にはなるが、生殖細胞の[[分化]]やゲノム情報維持機構に働く、Tudor、PiwiもRNA結合ドメインの一種に数えられる1。

1.2 RNA結合蛋白質の機能
RNA結合蛋白質は、ゲノム上の約90%近くと見積もられる領域から転写された膨大なRNA群に結合する因子の総称である。そのため、それぞれのRNA結合蛋白質は、固有の結合特異性を持ちながら、mRNAや非コードRNAである[[tRNA]]、[[rRNA]]、snRNA、snoRNA、lncRNA、[[miRNA]]、piRNAの生合成経路全てを標的対象とし機能している。その生合成過程は、RNAとその他の制御蛋白質との複合体を形成することで、RNAのプロセシング、RNAの輸送/局在化/凝集体形成、RNAの分解、mRNAに対しては蛋白質への翻訳、[[トランスポゾン]]のトランスポジションなどを含み多岐に渡る1。これらの制御を総称して転写後調節機構(post-transcriptional reulation)と呼ぶ。

2.脳神経系における機能
2.1 神経発生の制御因子としてのRNA結合蛋白質
神経系の発達や機能に寄与するRNA結合蛋白質の中で最も古典的な遺伝子として[[ショウジョウバエ]]Elav (embryonic lethal abnormal vision)がある。ショウジョウバエ遺伝学により同定された分子で、神経細胞の生存や発達に重要な遺伝子であるが、神経科学分野において神経細胞の分子マーカー/発現ドライバーとしても有名である。[[哺乳類]]の神経系研究においても、NeuN (NeuN抗体は、RbFox3というRNA結合蛋白質をエピトープとする)やHu (Elavの哺乳類ホモログ)などの神経細胞分子マーカーがあるが、これらもまたRNA結合蛋白質をコードする遺伝子群である2 3。また、Musashi遺伝子は、ショウジョウバエの外感覚器の分化における非対称性分裂の異常を示す原因遺伝子として同定され、その後、哺乳類においては[[神経幹細胞]]のマーカー分子として広く利用されている（現在では、様々な組織及び癌幹細胞因子としても知られる）4。また、1998年の成体脳における[[神経新生]]の発見においても、Musashi1は、成体神経幹細胞マーカー分子の一つとして成体神経新生の発見に寄与している5。これら、マーカー分子としても知られるRNA結合蛋白質群は、それぞれ固有のRNA配列を持ち、標的RNA群に結合し、転写後調節を制御する事で神経系の発生や機能に関わっている。例えば、神経特異的RNA結合蛋白質Nova2は、500以上（あるいは、その数倍！）の遺伝子のRNA制御、特に選択的スプライシング制御を行い、神経細胞の生存や[[シナプス]]機能に関わる分子であることが明らかとなっている6。神経系の発生において、Nova2は、[[リーリン]]受容体のアダプター分子[[Dab1]]遺伝子の選択的スプライシングを制御する事で、リーリンシグナル伝達系同様に大脳新皮質[[興奮性]]神経細胞と[[小脳]][[プルキンエ細胞]]の放射状[[神経細胞移動]]を制御する分子であることが報告されている7。

2.2 病理マーカーとしてのRNA結合蛋白質
RNA結合蛋白質研究が医学研究分野で注目を集めたのは、臨床、病理マーカーとしての発見に始まったと考えられる。1990年代に、[[傍腫瘍性神経症候群]]の患者の血清中に含まれる自己抗体の標的抗原として、HuとNova蛋白質が同定された8 9。興味深い事にこれら二つの蛋白質は、共に神経細胞に特異的に発現するRNA結合蛋白質であった。その後、様々なグループよりこれら神経特異的なRNA結合蛋白質が神経細胞のマーカー分子として利用されると同時に蛋白質そのものの機能解析が進められてきた。さらに、現在のRNA結合蛋白質研究分野の研究者人口を急速に増大させたのが、2006年の病理組織におけるTDP43蛋白質の発見が一つの要因といえる10。TDP-43は、[[筋萎縮性側索硬化症]]（[[ALS]]）や[[前頭側頭葉変性症]](FTLD)の患者の神経細胞や[[グリア細胞]]内において、リン酸化あるいはユビキチン化された病原性凝集体の構成分子として共通病理所見として認められている10 11。現在では、孤発性、家族性含めたALS患者の97％でTDP43陽性の封入体が病理像として確認されている12。

2.3 病態の原因としてのRNA結合蛋白質
　神経疾患の原因遺伝子として同定されたRNA結合蛋白質の代表例として、長期にわたり世界中で研究されてきた分子が、脆弱性X症候群の原因遺伝子であるFMRPである。RNA結合蛋白質FMRPは、さまざまな標的RNA群に対する翻訳抑制、生理学的にはシナプス機能への関与など様々な知見が積み重ねられてきた。さらに、後述する高解像度な解析技術によりFMRPが制御するRNA群の包括的解明が進むことで、脆弱性X症候群の病態解明へと近づきつつある13。前述した病理マーカーとしてのTDP43の発見から2年後には、孤発性、及び家族性ALSの患者にTDP43のアミノ酸変異を伴う変異型の報告が相次ぎ、特にTDP43遺伝子のC末領域の[[プリオン]]様構造領域にその多くの変異が見つけられた14。このことよりTDP43は、病理マーカーとしてだけでなく、蛋白質そのものの機能に病態解明を考える上で注目が集まった。その後、家族歴があるALS患者間で、TDP43だけでなく、FUSやhnRNPA2B1といった多くのRNA結合蛋白質が同様にALSの原因遺伝子として同定された15 12。これらRNA結合蛋白質の機能解析が、病気の原因解明や治療応用の可能性を秘めているため、現在、世界中で研究が盛んに行われている。また、RNA結合蛋白質をコードする遺伝子そのものに欠失、変異が生じないような疾患の多くもRNA結合蛋白質が病態の原因となる事が想定されている。例えば[[トリプレット病]]といった繰り返し配列を有し、繰り返し配列のRNAを高レベルで発現するような変異を持つ場合、これら非コードRNAがある特定の内在性RNA結合蛋白質のシークエスターとなり、このRNA結合蛋白質が制御する遺伝子発現プログラムに異常が生じる事が病気の一つの原因となることも考えられる。

2.4 創薬の標的としてのRNA結合蛋白質
病態解明の鍵を握るRNA結合蛋白質研究であるが、今後1542種あるRNA結合蛋白質の中からも新たな創薬の標的が発見されることが期待される。脊髄性筋萎縮症([[SMA]])は、1万人に１人程度の割合で新生児に発症する[[運動ニューロン病]]の一つであり、原因遺伝子SMN(survival motor neuron)の常[[染色体]]性劣性遺伝を示す神経難病である。SMN遺伝子には、相同遺伝子のコピーSMN2が存在することから、SMN2の選択的スプライシングスイッチをする[[核酸]]ASO (Antisense Oligonucleotides)を用いることで、SMN2蛋白質の合成量を増加させ、SMN蛋白質の減少を補う方法で[[モデル動物]]を用いた実験で有効性が実証された16。これは、ある種のRNA結合蛋白質-RNA相互作用を直接、核酸が抑えることで、スプライシングを制御するものだが、さらに簡便な小分子化合物の経口投与によってSMN2のスプライシング制御が可能であることが発見されるなど、急速に疾患治療へ向け進みつつある17。

3.解析技術
3.1蛋白質-RNA相互作用解析技術
RNA結合蛋白質の機能解析を考える上で最も本質的な生化学的イベントが蛋白質-RNA相互作用である。とくにin vivoでRNA結合するリガンド(標的)の同定は歴史的に困難を極めた。なぜなら、RNA結合蛋白質の固有の結合コードは、非常に複雑な二次構造を認識するものからシンプルな暗号を認識するものまで様々であり、in vitroの知見からin vivoにおいて真実の標的となることを示すことは技術的に難しかった18。その中で、現在最も信頼のおける解析戦略がHITS-CLIP法(High Through put Sequencing UV Cross Linked ImmunoPrecipitation)である6。CLIP法の特徴の一つは、生きた細胞や組織をそのままUV照射する事により、細胞内で直接RNAと結合している蛋白質の間(蛋白質-RNA=1 Å)に共有結合させるところにある。これにより、蛋白質-RNAの再結合問題を克服し、生体内における直接結合している蛋白質-RNAの複合体中のRNAを細胞抽出液よりスナップショットする事ができる。さらに、次世代シークエンサーによる膨大なRNA配列を読み込む事で、まさにUV照射時の生体内での蛋白質-RNA相互作用をトランスクリプトームワイドに眺めることが可能となった。また、現在ではさらに進化を遂げ、一塩基解像度で蛋白質-RNA相互作用を同定できるようになっている19。

3.2 マイクロアレイ、RNAseq解析
　マイクロアレイ技術の進展により詳細な遺伝子発現プログラムの理解が進みつつあり、感度良く網羅的にトランスクリプトームが調べられるようになった。特に、詳細なプローブ設計を元に選択的スプライシングの割合定量も様々なアルゴリズム解析のおかげで進展してきた20。その一方で、ゲノム上の約90％の領域から転写されるRNAとそのプロセシングを対象とするRNA結合蛋白質の解析では、現在ではそのまま発現しているmRNAをシークエンスするRNAseq解析が主流になりつつある21。

3.3 リボソームプロファイリング
RNA結合蛋白質が対象とする制御システムは、RNAのプロセシングやRNA量だけではない。特に、その中でも包括的な翻訳制御解析はまだまだ技術的制限があった。その中でIngoliaらが開発したリボソームプロファイリング法は、RNAを対象とするシークエンス技術で、細胞内の蛋白質レベルをモニターすることに成功した22。原理は、細胞中の翻訳状態を、翻訳阻害剤シクロヘキシムドでリボソームの挙動を停止させ、次に、RNase処理により、リボソームで取り込まれていないRNAを除去し、まさにリボソームでマスクされているRNA約26-28塩基のみを生け捕りにし、シークエンス解析するという方法であった。これを全RNAシークエンスのデータからリボソームでマスクされた断片の発現量を標準化することで、翻訳効率を定量化するという戦略である。他にも、翻訳開始点の同定などにも応用可能であるが、本手法によりRNAを測定する事で、細胞内の蛋白質レベルと比較的、相関性高く解析が可能となった。

4 関連項目
非コードRNA
転写後調節機構
HITS-CLIP

5.参考文献

1. Gerstberger, S., Hafner, M. & Tuschl, T. A census of human RNA-binding proteins. Nat Rev Genet 15, 829-845 (2014).
2. Szabo, A. et al. HuD, a paraneoplastic encephalomyelitis antigen, contains RNA-binding domains and is homologous to Elav and Sex-lethal. Cell 67, 325-333 (1991).
3. Kim, K. K., Adelstein, R. S. & Kawamoto, S. Identification of neuronal nuclei (NeuN) as Fox-3, a new member of the Fox-1 gene family of splicing factors. J Biol Chem 284, 31052-31061 (2009).
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5. Pincus, D. W. et al. Fibroblast growth factor-2/brain-derived neurotrophic factor-associated maturation of new neurons generated from adult human subependymal cells. Ann Neurol 43, 576-585 (1998).
6. Licatalosi, D. D. et al. HITS-CLIP yields genome-wide insights into brain alternative RNA processing. Nature 456, 464-469 (2008).
7. Yano, M., Hayakawa-Yano, Y., Mele, A. & Darnell, R. B. Nova2 regulates neuronal migration through an RNA switch in disabled-1 signaling. Neuron 66, 848-858 (2010).
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9. Buckanovich, R. J., Posner, J. B. & Darnell, R. B. Nova, the paraneoplastic Ri antigen, is homologous to an RNA-binding protein and is specifically expressed in the developing motor system. Neuron 11, 657-672 (1993).
10. Neumann, M. et al. Ubiquitinated TDP-43 in frontotemporal lobar degeneration and [[amyotrophic lateral sclerosis]]. Science 314, 130-133 (2006).
11. Arai, T. et al. TDP-43 is a component of ubiquitin-positive tau-negative inclusions in frontotemporal lobar degeneration and amyotrophic lateral sclerosis. Biochem Biophys Res Commun 351, 602-611 (2006).
12. Ling, S. C., Polymenidou, M. & Cleveland, D. W. Converging mechanisms in ALS and FTD: disrupted RNA and protein homeostasis. Neuron 79, 416-438 (2013).
13. Darnell, J. C. et al. FMRP stalls ribosomal translocation on mRNAs linked to synaptic function and autism. Cell 146, 247-261 (2011).
14. Lagier-Tourenne, C., Polymenidou, M. & Cleveland, D. W. TDP-43 and FUS/TLS: emerging roles in RNA processing and neurodegeneration. Hum Mol Genet 19, R46-64 (2010).
15. Kim, H. J. et al. Mutations in prion-like domains in hnRNPA2B1 and hnRNPA1 cause multisystem proteinopathy and ALS. Nature 495, 467-473 (2013).
16. Hua, Y. et al. Peripheral SMN restoration is essential for long-term rescue of a severe spinal muscular atrophy mouse model. Nature 478, 123-126 (2011).
17. Naryshkin, N. A. et al. Motor neuron disease. SMN2 splicing modifiers improve motor function and longevity in mice with spinal muscular atrophy. Science 345, 688-693 (2014).
18. Darnell, R. B. HITS-CLIP: panoramic views of protein-RNA regulation in living cells. Wiley Interdiscip Rev RNA 1, 266-286 (2010).
19. Moore, M. J. et al. Mapping Argonaute and conventional RNA-binding protein interactions with RNA at single-nucleotide resolution using HITS-CLIP and CIMS analysis. Nat Protoc 9, 263-293 (2014).
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（執筆者：矢野真人、担当編集委員：上口裕之）