「アルゴノート」の版間の差分

　シロイヌナズナ（''Arabidopsis thaliana''）の、ある遺伝子の変異による表現型がアオイガイ（Argonauta argo）に似ていたことから、この遺伝子はアルゴノート1（Argonaute 1, AGO1）と名付けられた<ref name=Bohmert1998><pubmed>9427751</pubmed></ref>  [1]。AGO1は植物に限らず多くの生物で保存されている（図B）。ヒトやマウス、ショウジョウバエ（Drosophila melanogaster）のAGO1は、マイクロRNA（microRNA, miRNA）と特異的に結合し、RNA誘導型サイレンシング複合体（RNA-induced silencing complex, RISC）を形成する<ref name=Bartel2018><pubmed>29570994</pubmed></ref><ref name=Guo2010><pubmed>20703300</pubmed></ref><ref name=Kim2009><pubmed>19165215</pubmed></ref>  [2-4]。RISC内のmiRNAは、高い配列相補性を示す内在性の伝令RNA（messenger RNA, mRNA）と対合することによってAGO1を標的mRNAに運ぶ<ref name=Bartel2018><pubmed>29570994</pubmed></ref><ref name=Guo2010><pubmed>20703300</pubmed></ref><ref name=Kim2009><pubmed>19165215</pubmed></ref> [2-4]（図C）。AGO1は、miRNAを介して結合したmRNAの不安定性や翻訳阻害を促進することによって、そのmRNAからのタンパク質合成を抑制する<ref name=Bartel2018><pubmed>29570994</pubmed></ref><ref name=Guo2010><pubmed>20703300</pubmed></ref><ref name=Kim2009><pubmed>19165215</pubmed></ref>  [2-4]。

ショウジョウバエのRNA干渉（RNA interference, RNAi）の中核因子として同定されたアルゴノートは、ショウジョウバエのAGO1や線虫（Caenorhabditis elegans）のRDE1（AGO1ホモログ）と高い相同性を示したことから、アルゴノート2（AGO2）と名付けられた<ref name=Hammond2001><pubmed>11498593</pubmed></ref>  [5]。AGO2は、RNA干渉において機能する小分子RNAであるsmall interfering RNA（siRNA）とRISCを形成する[6-8]（図C）。RISC内のsiRNAは、高い配列相補性を示すRNAと対合することによってAGO2を標的RNA（mRNAに限らない）に運ぶ[6-8]（図C）。AGO2は、siRNAを介して結合したRNAを切断する（図C）。切断されたRNAは、RNA分解酵素によって分解され消失してしまうため、遺伝子発現や機能の抑制につながる<ref name=Liu2004><pubmed>15284456</pubmed></ref><ref name=Meister2004><pubmed>15260970</pubmed></ref><ref name=Miyoshi2005><pubmed>16287716</pubmed></ref>  [6-8]。

ショウジョウバエの雄の生殖幹細胞維持に必須な因子として同定されたP-element wimpy testis（Piwi）は、配列相同性からアルゴノートのパラログであると報告された<ref name=Cox1998><pubmed>9851978</pubmed></ref> [9]。ショウジョウバエはPiwiパラログを3つ持ち、Piwi以外の２つはAubergine、アルゴノート3（AGO3）と名付けられている<ref name=Siomi2011><pubmed>21427766</pubmed></ref><ref name=Yamashiro2018><pubmed>29281264</pubmed></ref>  [10, 11]（図B）。Piwi同様、Aubergine、AGO3の発現も生殖組織に限られており、Piwi、Aubergine、AGO3の３つのアルゴノートは、恒常的に発現するAGO1やAGO2と区別するために、PIWIサブファミリーメンバーと呼ばれる<ref name=Siomi2011><pubmed>21427766</pubmed></ref><ref name=Yamashiro2018><pubmed>29281264</pubmed></ref> [10, 11]（以下‘サブファミリー’参照）（図B）。PIWIサブファミリーメンバーのガイドRNAは、PIWI-interacting RNA（piRNA）と称される<ref name=Siomi2011><pubmed>21427766</pubmed></ref><ref name=Yamashiro2018><pubmed>29281264</pubmed></ref>  [10, 11]。piRNAの多くはトランスポゾンと高い配列相補性を示す。PIWIメンバーは、piRNAを介して結合したトランスポゾンの転写産物（RNA）を細胞質で切断する、あるいは核でトランスポゾンの転写を阻害することによってその発現を抑制する[6-8]（以下‘細胞内局在と機能’参照）。

アルゴノートを持つ細菌も存在する。細菌のアルゴノートの中には、小分子RNAではなく、小分子DNAをガイドとするものがある。また、RNAを標的とするものと、DNAを標的とするものがある<ref name=Lisitskaya2018><pubmed>30514832</pubmed></ref>  [12]。

サブファミリー

ショウジョウバエは5種類のアルゴノートを持ち、AGO1とAGO2はAGOサブファミリーに、Piwi、Aubergine、AGO3はPIWIサブファミリーに分類される<ref name=Siomi2011><pubmed>21427766</pubmed></ref><ref name=Yamashiro2018><pubmed>29281264</pubmed></ref>  [10, 11, 13]（図B）。ヒトは8種類のアルゴノートを持つが<ref name=Hutvagner2008><pubmed>18073770</pubmed></ref><ref name=Sasaki2003><pubmed>12906857</pubmed></ref>  [14, 15]、そのうちの4つ（AGO1、AGO2、AGO3、AGO4）はAGOサブファミリーに、残りの４つ（PIWIL1/HIWI、PIWIL2/HILI、PIWIL3、PIWIL4/HIWI2）はPIWIサブファミリーに属する<ref name=Hutvagner2008><pubmed>18073770</pubmed></ref><ref name=Siomi2011><pubmed>21427766</pubmed></ref>  [10, 15] （図B）。マウスは、４つのAGOメンバー（AGO1、AGO2、AGO3、AGO4）と、３つのPIWIメンバー（PIWIL1/MIWI、PIWIL2/MILI、PIWIL4/MIWI2）を持つ<ref name=Hutvagner2008><pubmed>18073770</pubmed></ref><ref name=Siomi2011><pubmed>21427766</pubmed></ref>  [10, 15] （図B）。マウスのPIWIは全て雄特異的であることを特徴とする。

全てのアルゴノートは、N、PAZ、MID、PIWIという４つの主要ドメインと、２つのリンカー（Linker-1とLinker-2）を持つ<ref name=Hutvagner2008><pubmed>18073770</pubmed></ref><ref name=Nakanishi2022><pubmed>35736234</pubmed></ref>  [15, 17] （図A）。NドメインはRISC形成に寄与する。PAZドメインはガイド（小分子）RNAの3’末端に、MIDドメインは5’末端に結合する。PIWIドメインはRNaseH様構造をとっており、アルゴノートが標的RNAを切断するためのエンドヌクレアーゼ活性（スライサー活性ともいう）を担う<ref name=Nakanishi2022><pubmed>35736234</pubmed></ref><ref name=Song2004><pubmed>15284453</pubmed></ref>  [17, 18]。その活性中心に相当するアスパラギン酸-グルタミン酸-アスパラギン酸-ヒスチジン（Asp-Glu-Asp-His）の４つのアミノ酸を変異させると、RNA切断活性を示さなくなる。但し、ヒトのAGO3はこの４つのアミノ酸を持つにもかかわらず、エンドヌクレアーゼ活性を示さない。最初に立体構造が解明されたアルゴノートは、超高熱古細菌（Pyrococcus furiosus）のAGOである<ref name=Song2004><pubmed>15284453</pubmed></ref>  [18]。ヒトの４種類全てのAGOと、ショウジョウバエPiwi、カイコ（Bombyx mori）Piwiホモログ（Siwi）の立体構造も既に解かれている<ref name=Matsumoto2016><pubmed>27693359</pubmed></ref><ref name=Nakanishi2022><pubmed>35736234</pubmed></ref><ref name=Yamaguchi2020><pubmed>31913276</pubmed></ref>  [17, 19, 20]。

アルゴノートには、細胞質で機能するものと核で機能するものがある。いずれの場合も、ガイド（小分子）RNAとの結合、つまりRISC形成は細胞質で起こる<ref name=Kim2009><pubmed>19165215</pubmed></ref><ref name=Siomi2011><pubmed>21427766</pubmed></ref>  [2, 10]。RISCとなったアルゴノートの細胞内局在は、アルゴノートが核局在シグナル（nuclear localization signal, NLS）を持つか、持たないかによって決まる。NLSを持たないアルゴノートは、細胞質で標的RNAを切断するか、RNAの不安定化や翻訳阻害を促進することによって標的RNAからのタンパク質合成を阻害する。NLSを持つアルゴノートは核で標的遺伝子の転写を阻害する。

AGO1は、miRNAを介して標的となる内在性mRNAに結合し、その不安定化や翻訳阻害を促進する（図C）。ショウジョウバエのAGO1はエンドヌクレアーゼ活性を持つが、miRNAの中央部分（5’末端から9-12番目）の標的RNAへの対合性が不完全なため、標的RNAを切断することができない。よって、GW182などの補因子と協調して目的を達成する<ref name=Gregory2005><pubmed>16271387</pubmed></ref><ref name=Jonas2015><pubmed>26077373</pubmed></ref>  [21, 22]。GW182はポリA鎖短縮化などに関わる因子をAGO1の反応場にリクルートする。ヒトやマウスなど哺乳動物のAGO1は、元々エンドヌクレアーゼ活性を持たないため、ショウジョウバエのAGO1と同様に、TNRC6（GW182ホモログ）等と協調してRNA不安定化や翻訳阻害を促進する。哺乳動物のAGO3とAGO4は、AGO1と同様にエンドヌクレアーゼ活性を持たず、miRNAと結合して細胞質で機能する。

AGO2は、siRNAと結合してRNA干渉で機能する（図C）。ショウジョウバエのAGO2はRNA干渉に特化しているが、哺乳動物のAGO2は、通常、miRNAと結合してmiRNA機構で機能する。siRNA（あるいはその前駆体）の導入により哺乳動物細胞でRNA干渉を人工的に誘導すると、siRNAはAGO2と結合し、RNA干渉で機能する様になる（図C）。AGO2はエンドヌクレアーゼ活性を持つが、miRNAと結合した哺乳動物のAGO2は、ショウジョウバエAGO1の場合と同様に標的RNAを切断することができないため、TNRC6等と協調してRNA不安定化や翻訳阻害を促進する[21, 22]。

哺乳動物のAGOは、核に局在し、転写後レベルで標的遺伝子の発現を抑制する場合もある<ref name=Sarshad2018><pubmed>30146314</pubmed></ref>  [23]。分裂酵母（Schizosaccharomyces pombe）のAGO1は、核内でヘテロクロマチンを誘導することによって標的遺伝子の発現を転写レベルで抑制する<ref name=Onishi2021><pubmed>34347367</pubmed></ref>  [24]。

ショウジョウバエAubergineに代表されるNLSを持たないPIWIメンバーは、RISC形成後も細胞質に局在し、piRNAを介して結合したトランスポゾンmRNAをエンドヌクレアーゼ活性依存的に切断することによってトランスポゾンの発現を抑制する。その分子機序はAGO2の分子機序とよく似ている。AGO2によって切断されたRNA断片は細胞質で分解される運命にあるが、Aubergineによって切断されたRNA断片からはpiRNAが生成されAGO3と結合する<ref name=Brennecke2007><pubmed>17346786</pubmed></ref><ref name=DeFazio2011><pubmed>22020280</pubmed></ref><ref name=Gunawardane2007><pubmed>17322028</pubmed></ref>  [25-27]。これらpiRNAはトランスポゾンmRNAから生成されるため、AGO3はトランスポゾンのアンチセンス方向の転写産物を切断する。アンチセンス転写産物RNA断片から生成されたpiRNAはAubergineと結合する。このAubergineとAGO3による反応は相互に連続して起こり、piRNAを増幅させるためpiRNA増幅機構と呼ばれる。また、その様相からピンポン機構としても知られる。AGO2と異なり、AubergineとAGO3は切断後もRNA断片を保持し続ける。しかし、このままではpiRNA増幅が停滞してしまうため、VasaなどのRNAヘリカーゼが、頃を見計らってエネルギーを消費しつつPIWIからRNA断片を解離する<ref name=Nishida2015><pubmed>25558067</pubmed></ref><ref name=Xiol2014><pubmed>24910301</pubmed></ref>  [28, 29]。ショウジョウバエ生殖系体細胞では、脳腫瘍抑制因子L(3)mbtがpiRNA増幅因子の発現を抑制しているためpiRNAを増幅しない<ref name=Sumiyoshi2016><pubmed>27474440</pubmed></ref> [30]。マウスMILIは、トランスポゾンのアンチセンスRNAを切断することによってMIWI2に結合するpiRNAを産生する<ref name=Siomi2011><pubmed>21427766</pubmed></ref>  [10]。これによってMIWI2はトランスポゾンのmRNAを標的とすることが可能になる。

マウスMIWI2やショウジョウバエPiwiに代表されるNLSを持つPIWIは、細胞質でRISCとなった後に核に移行し、転写中のRNA、つまり遺伝子ゲノムに結合した状態にあるRNAに結合して、そのゲノム領域のDNAやヒストンのメチル化を介してヘテロクロマチンを誘導する<ref name=Onishi2021><pubmed>34347367</pubmed></ref>  [24]。この機構には、DNAメチル化酵素やヒストンメチル化酵素など多くの補因子が関わる。

ヒトAGO2やショウジョウバエAGO1は、miRNAに配列相補的な内在性遺伝子を抑制することにより、個体発生や分化、生体恒常性を制御する。線虫のRDE1（AGO1ホモログ）やショウジョウバエのAGO2は、miRNAではなく、ウイルスなど外来性核酸から生成されたsiRNAと結合し、ウイルス由来のRNAなどを切断して感染から身を守る、つまり一種の免疫機構として機能する<ref name=Kim2009><pubmed>19165215</pubmed></ref><ref name=Siomi2011><pubmed>21427766</pubmed></ref>  [2, 10]。線虫のRDE1（AGO1ホモログ）やショウジョウバエのAGO2はトランスポゾン由来のsiRNAとも結合する<ref name=Kawamura2008><pubmed>18463636</pubmed></ref><ref name=Tabara1999><pubmed>10535731</pubmed></ref>  [31, 32]。ショウジョウバエや線虫などの下等動物では、miRNA機構とRNA干渉（siRNA機構）が独立して存在するが、ヒトなどの高等動物ではsiRNA機構が存在しない。

プラナリアもPIWIを持ち、piRNAとRISCを形成してトランスポゾンの発現を抑制する<ref name=Shibata2016><pubmed>27165555</pubmed></ref> [36]。その機能は体性幹細胞維持に必須で再生に欠かせない。アメフラシの神経細胞では、piRNA機構が記憶の維持に重要な役割を果たす<ref name=Rajasethupathy2012><pubmed>22541438</pubmed></ref>  [37]。脳腫瘍抑制因子L(3)mbtを欠損したショウジョウバエ脳では、Piwiを含むPIWIメンバーやpiRNA増幅因子、piRNAが異所的に発現するが、Piwiの発現を強制的に抑制すると腫瘍化が解除される<ref name=Janic2010><pubmed>21205669</pubmed></ref>  [38]。

アルゴノートの機能は、リン酸化などの翻訳後修飾によって調節される<ref name=Han2020><pubmed>33184234</pubmed></ref><ref name=Nishida2020><pubmed>32914505</pubmed></ref><ref name=Shen2013><pubmed>23636329</pubmed></ref>  [39-41]。AGOのユビキチン化は、標的RNA依存的miRNA分解（target-directed miRNA degradation, TDMD）に関わる<ref name=Han2020><pubmed>33184234</pubmed></ref>  [40]。

ヒトの４種類のAGOメンバーと結合するmiRNAは高い割合で重複するため、AGOメンバー間の機能に重複があると推察された<ref name=Hafner2010><pubmed>20371350</pubmed></ref>  [42]。しかし、例えばAGO３の機能喪失は、知的障害を発症することが報告されており、AGOメンバー間の機能的代償は部分的であるといえる。ヒトのAGO1およびAGO3遺伝子を含むゲノム領域の欠失は、神経認知障害、発達遅延、知的障害、骨年齢遅延等に関与する可能性が示唆されている<ref name=Tokita2015><pubmed>25271087</pubmed></ref>  [43]。また、ヒトのAGO1遺伝子の変異は、自閉症スペクトラム障害や知的障害に関連することが示唆されている<ref name=Schalk2022><pubmed>34930816</pubmed></ref>  [44]。miRNAの機能と、がんなどの疾患との相関に関しては多くの報告がある<ref name=Iorio2012><pubmed>22351564</pubmed></ref>  [45]。PIWIとpiRNAの機能欠損は不妊症を導く<ref name=Wang2022><pubmed>35403682</pubmed></ref>  [46]。

 

参考文献