Molecular Biology 728x

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バクテリアのmRNADecay

Contents:
  1. バクテリアのRNAをdecayから守っているものは何か?
    1. 5’末端側の保護
    2. 3’末端側の保護
  2. バクテリアのRNA Degradosome
    1. バクテリアのRNAのDecayのメカニズム(Degradationの仕組み)
    2. 2次構造のdegradation
  3. ストールしているリボソームの対処
  4. 次: EukaryoteのmRNADecay

前: RNATurnover入門

mRNAの半減期について、ここではバクテリアについて見ていく。

バクテリアのRNAをdecayから守っているものは何か?

半減期の前に、そもそも全てのRNAがすぐに分解されてしまわないのは、なんらかの保護のメカニズムがあるからだ。 それはどういったものか?

5’末端側の保護

5’側は、末端のtriphosphateが保護している。 また、RNAの2次構造が5’末端のdecayを防いているケースもある。(とてもとても長い半減期のRNAの場合)

eukaryoteではtranslateの都度RNAはunwindされるが、バクテリアでは5’側のstructureはそのままに直接ribosomeのbinding siteにribosomeが結合するので、この2次構造が保存される。(TranslationのInitiationも参照)

3’末端側の保護

3’末端側は、おもに2次構造で保護される。

バクテリアにおけるTranscriptionのElongationで見たように、TranscriptionのterminationにはIntrinsic TerminationとRho-Dependent Terminationがあるのだった。 そしてIntrinsic Terminationのケースでは、 Transcriptionの時点で3’末端側にあるGC-richな領域がヘアピンを形成するのだった。 これが3’末端側のdecayから保護する二次構造となる。

Rho-dependentなterminationでは、terminationのメカニズムには2次構造は無いが、stableなRNAなら何らかの方法で3’末端側に二次構造(ヘアピン)を形成する事で、同様にdecayから保護する。

バクテリアのRNA Degradosome

ほとんどのRNAの分解は、multi-enzyme complexであるRNA degradosomeが行っている。

RNA degradosomeは複数の機能を持っている

  • Endonuclease … 通常はRNase Eが担当。
  • 3’ to 5’ Exonuclease … polynucleotide phosphorylase (PNPase)。これはphosphorylytic exonuclease。
  • 3’ to 5’ RNA helicase … RhlBと呼ばれる(スペルはLの小文字)
  • Enolase … 何故あるのかは不明。metabolic rateを測るのに使われるenzymeだが。

PNPaseもそうであるが、phosphorylytic enzymeはそんなにfavorableでは無いので、加水分解と違って可逆。 分解すると同時に合成する事もある。ランダムにヌクレオチドを持ってきてつなげるので、だいたいATPとなるからpoly Aを合成する事にもなる(が、ここではexonucleaseとして使われるのが主)

Enolaseは無くてもin vitroでは機能しているので、上3つがDegradosomeの機能をになっている模様。

図解すると以下のような構成になっている。

30ページ

中心にRNase Eがあって、これが長い尻尾を持っていて他のタンパク質を動員している。

バクテリアのRNAのDecayのメカニズム(Degradationの仕組み)

  1. RNase E がmRNAを切断
    • RNAのAU-リッチな領域を好んで切断する
    • 2次構造によってブロックされうる(二次構造はtranslateで伸ばされるので影響は少ないが、3’末端と5’末端のnon coding regionは影響がある)
    • 5’がmonophosphateなRNAを好んで切断
  2. 裁断結果の分解
    • 3’ to 5’の分解はPNPaseがPhlBの補助のもと分解出来る
    • 5’ to 3’の分解は、E. coliならRNase Eで繰り返し切断する事で、それ以外のバクテリアではRNase Jで分解される
    • この分解では、5’のtriphosphate付近と3’側のヘアピンだけ残る
  3. 5’ end dependent mechanism
    1. RppH(RNA pyrophosphohydrolaseの略)が5’末端のtriphosphateからpyrophosphateを切断し、monophosphateを残す
    2. RNase Jから5’側から分解されるか、RNase Eで分解される

1, 2をあわせてdirect access mechanismという。

E. coliなどは5’ to 3’のexonucleaseを持たないが、どこかを切断すると3’側がmonophosphateになるので、ますます切断されやすくなってオリゴに分解される。 オリゴはoligo RNaseに分解される。

そのほかの生物ではRNase Jと呼ばれる5’ to 3’ exonucleaseを持つ。ただTriphosphateは分解出来ない。

RNase Jはhydrolytic exoで、5’ to 3’ exo。

2次構造のdegradation

Secondary Structure(ヘアピンなど)は、3’側から分解する場合は問題とならない。 PhlBのヘリカーゼの機能がこの構造を解いていくから。

だが3’側の末端に出来るヘアピンはこの仕組みではほどけない。 また、ヘリカーゼがスタックする場合もある。一度端っこでスタックしてしまうと、そのまま再開する事は出来ず、少しsingle strandのリージョンが必要となる。

そこで3’の末端がヘアピンの時は、poly-A polymeraseかPNPaseが末尾にAを付加していき、少しsingle strandの領域を作る。 そしてヘリカーゼが解いてdegradeする。

ストールしているリボソームの対処

degradationしているmRNAにもリボソームがくっついていて翻訳途中、というのは当然起こる。 その場合、翻訳サイトの付近はリボソームが保護しているので切断されないにせよ、その前後は普通に切断されていまい、 やがてリボソームはstopコドンを通らずに3’の端に到達してストールしてしまう状況が発生する。

3’末端がEサイトのところに来て、Aサイトにはヌクレオチドが無い、という状態になる。

この状態を解決するのに使われるのがtmRNAで、tRNAとmRNAの両方の性質を持ったRNA。 バクテリアではこれはSsrAと呼ばれる。(SsrA tmRNAと呼ぶのが普通の呼び方っぽい)

31ページ

アラニンのtRNAと同じ部分では、アラニンがチャージされて、EF-Tuと結合する。 そしてAサイトにヌクレオチドが無い場合に限ってこれがAサイトに配置される。 (31ページの図参照)

その後はトランスロケートしていって、下側がmRNAのように扱われて、対応するアミノ酸が付加されていき、 最後にUAAのストップコドンで通常の翻訳終了の過程が起こる。

さらにこの付加されるAA配列は、ClpXP proteaseというタンパク質が認識するタグとなっていて、 これに認識されたタンパク質は素早く分解されて細胞内から消える。

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EukaryoteのmRNADecay