SECTION 01転写直後にできる前駆体mRNA

真核生物でタンパク質をつくる遺伝子が転写されると、まず前駆体mRNAというものが作られます。

前駆体というのは、完成する前の段階にある物質、という意味です。つまり前駆体mRNAは、これから加工されて成熟mRNAになる予定のRNA、ということですね。

前回から使っている設計図の例で考えてみましょう。

DNAが建築事務所に保管されている原本で、転写でそれをコピーした。ここまでは前回やりました。

ただ、コピーしたばかりの図面には、実際の工事では使わない部分も一緒に写り込んでいます。

そこで、その部分を外して、残す図面を正しい順番でつなぎ直す。ここまでやって、ようやく現場に持っていける一続きの図面になります。

細胞の中では、この編集前のコピーが前駆体mRNA、編集後のコピーが成熟mRNAにあたります。

SECTION 02エキソンとイントロンとは何か

前駆体mRNAのうち、スプライシングの後も残る部分をエキソン、途中で取り除かれる部分をイントロンといいます。

「イントロンは使わないんだから、最初から転写しなければいいのに」と思うかもしれません。でも、そうはなっていません。まとめて転写してから、後で外しています。

ところで、エキソンを「タンパク質の情報を持つ部分」と説明しているのを見かけることがありますが、厳密にはちょっと違います。

エキソンの定義は、あくまで「スプライシング後のRNAに残る部分」です。成熟mRNAには、アミノ酸配列に翻訳される領域だけでなく、翻訳されない5′非翻訳領域や3′非翻訳領域も含まれています。これらも成熟mRNAには残るので、エキソンに含まれることがあるわけです。

逆に、イントロンのほうも「何の意味もないゴミ」と考えるのは早すぎます。成熟mRNAからは取り除かれますが、遺伝子発現の調節などに関わる配列を含んでいることもあります。

高校生物としては、まず「エキソンは残る、イントロンは取り除かれる」を押さえたうえで、残る部分と翻訳される部分は完全にイコールではない、と知っておけば十分です。

SECTION 03なぜスプライシングが必要なのか

リボソームは、mRNAの塩基配列を3つずつ区切って読み取りながら、その並びに従ってアミノ酸をつないでいきます。

このとき、リボソームが「あ、ここイントロンだな」と気づいて読み飛ばしてくれる、なんてことはありません。

イントロンを含んだままのRNAが翻訳されれば、本来つながるはずのエキソンの間に、余計な配列が挟まったまま読まれることになります。読み枠がずれたり、途中に終止コドンが現れたりして、想定通りのタンパク質ができなくなることもあります。

だからこそ、翻訳の前にイントロンを取り除いて、エキソン同士を正しくつないでおく必要があるわけです。

ただ、ここで1つ切り分けておきたいことがあります。「なぜスプライシングが必要なのか」と「そもそも何のためにイントロンが存在するのか」は、別の問題だということです。

前者は簡単です。イントロンを持つ遺伝子を転写すれば、RNAにもイントロンが入る。だから除く必要がある。それだけの話です。

後者、つまりイントロンが進化の中でどう生まれ、なぜ今も残っているのかという話は、もっと深いところにあります。選択的スプライシングや遺伝子発現の調節と関係はしていますが、「多様なタンパク質を作るためにイントロンがある」と言い切れるほど単純ではありません。

SECTION 04スプライソソームは切れ目をどう見分けるのか

イントロンを取り除くといっても、どこからどこまでを切ればいいのでしょうか。

適当な位置で切ってしまえば、必要なエキソンまで一緒に落ちたり、逆にイントロンが残ったりします。かなり正確な作業が求められます。

細胞が手がかりにしているのは、イントロンの境目の近くにある、特徴的な塩基配列です。

多くの真核生物の前駆体mRNAでは、イントロンの5′側の端がGU、3′側の端がAGになっています。さらにイントロンの内部には枝分かれ点と呼ばれる場所があって、そこに重要なアデニンが存在します。

とはいえ、GUとAGを探せば切れ目が一発で決まる、というほど甘くはありません。GUやAGのような2文字の並びは、長いRNAの中に何度も出てきますからね。

実際には、境界付近の複数の配列や周りの情報を組み合わせながら、取り除くべきイントロンが見分けられています。

この認識とスプライシングを担当している装置が、スプライソソームです。

面白いのは、スプライソソームがタンパク質だけでできた酵素ではないことです。snRNAと呼ばれる短いRNAと、複数のタンパク質が集まってできた大きな複合体になっています。

そしてこのsnRNAの一部が、前駆体mRNAの配列と塩基対を作って、イントロンの境目や枝分かれ点を確認しています。RNAがRNAを見分けている、というわけです。

高校生物では、スプライソソームの部品を一つずつ覚える必要はありません。

SECTION 05イントロンは投げ縄状になって取り除かれる

スプライシングは、紙を2か所ハサミで切って貼り直す、というほど単純な反応ではありません。

まず、イントロンの内部にある枝分かれ点のアデニンが、イントロンの5′側の端と結びつきます。すると、イントロンのRNAが輪っかを作って、一部が枝分かれしたような形になります。

この構造を、投げ縄構造、あるいはラリアット構造といいます。投げ縄のあの形を想像してもらえれば、だいたい合っています。

続いてイントロンの3′側が切り離され、前後のエキソン同士が結合します。投げ縄状になったイントロンはRNAから外れて、その後、分解されます。

化学的には、この一連の流れは二段階のエステル交換反応として進みます。

この反応で個人的に面白いと思うのは、イントロンを外すのと同時に、離れていたエキソン同士をつなげているところです。

不要な部分を切り落として終わり、ではありません。残す部分を、一続きのRNAとして正確に組み直すところまでがスプライシングです。

SECTION 06成熟mRNAには5′キャップとポリA尾部もある

前駆体mRNAが成熟mRNAになるまでに行われる加工は、スプライシングだけではありません。代表的なものが、5′キャップの付加とポリA尾部の付加です。

5′キャップは、RNAの5′末端に付けられる特殊な構造です。RNAが分解されにくくなること、核の外へ運び出されること、翻訳が始まることなどに関わっています。

一方、多くの真核生物のmRNAでは、3′側の末端にアデニンがずらっと並んだポリA尾部が付けられます。こちらもmRNAの安定性や核外への輸送、翻訳の効率に関わります。

ここで1つ、間違えやすいポイントがあります。

ポリA尾部を見て、「DNA上にTが何個も並んでいて、それが転写されたんだろう」と考えてしまう人がいるのですが、そうではありません。

まとめると、多くの真核生物のmRNAは、

という加工を経て、翻訳に使える成熟mRNAになります。

教科書ではこの3つを順番に並べて説明することが多いのですが、実際の細胞では、転写が全部終わるのを待ってから加工が始まるとは限りません。

5′キャップは転写のかなり早い段階で付きますし、多くのイントロンのスプライシングも、RNAがまだ転写されている途中から進んでいきます。転写と加工は、並行して進んでいるわけです。

SECTION 07選択的スプライシングとは何か

ここまでは、前駆体mRNAからイントロンをすべて除いて、決まったエキソンをつなぐ、という流れで話してきました。

ところが、同じ前駆体mRNAでも、どのエキソンを成熟mRNAに残すかが変わることがあります。これが選択的スプライシングです。

たとえば、ある前駆体mRNAにエキソン1・2・3・4が含まれていたとします。

ある細胞では エキソン1―エキソン2―エキソン4 という成熟mRNAが作られ、別の細胞では エキソン1―エキソン3―エキソン4 が作られる。こういうことが起こります。

もとの遺伝子は同じでも、エキソンの組み合わせが変われば、塩基配列の違う成熟mRNAができます。それが翻訳されれば、構造や働きの違うタンパク質ができることもあります。

つまりスプライシングは、イントロンを除く作業であると同時に、成熟mRNAに何を残すかを選べる仕組みでもあるわけです。

とはいえ、細胞がその日の気分でエキソンを選んでいるわけではありません。どのスプライシングが起こりやすいかは、RNA上の配列や、それを認識するタンパク質などによって、ちゃんと調節されています。

SECTION 08原核生物と真核生物では何が違うのか

原核生物と真核生物では、転写されたmRNAが翻訳に使われるまでの流れが、かなり違います。

原核生物には、核膜で囲まれた核がありません。だから、転写でRNAが作られている途中に、同じ場所でリボソームが翻訳を始めてしまうことができます。

一方の真核生物は、転写と前駆体mRNAの加工が主に核内で行われ、成熟mRNAが核の外に運ばれてから、細胞質で翻訳されます。核膜があることで、転写と翻訳が場所も時間も分かれている、というわけですね。

ただし、「原核生物ではRNAの加工が一切起こらない」という意味ではありません。原核生物でもrRNAやtRNAは加工を受けますし、自分で自分を切り出せるタイプのイントロンを持つRNAも、例外的に存在します。

高校生物では、まずmRNAについて、真核生物では転写と翻訳の間にRNA加工と核外輸送が挟まる、という違いを押さえておきましょう。

次は、成熟mRNAをタンパク質へ翻訳する

転写でDNAの情報が前駆体mRNAへ写され、RNA加工によって成熟mRNAができました。

設計図の原本から必要な範囲をコピーして、差し込み部分を抜いて、現場で使える形に整えたところまで来たわけです。

ただ、図面が完成しただけでは、まだ家も設備もできていません。

次は、成熟mRNAに並んだ塩基配列をリボソームが読み取り、アミノ酸を順番につないでいきます。このRNAの情報をタンパク質へ変換する過程が、翻訳です。

この流れも、いよいよ最後の段階です。

まとめ

スプライシングとは、前駆体mRNAからイントロンを取り除き、エキソン同士をつなぐ過程です。

エキソンとイントロンは、どちらもいったんRNAへ転写されます。そのあとスプライソソームが境界付近の配列を認識して、イントロンを投げ縄状にして取り除きます。

エキソンは成熟RNAに残る部分ですが、そのすべてがタンパク質へ翻訳されるわけではありません。イントロンのほうも、単なる無意味な配列とは限りません。

多くの真核生物のmRNAは、スプライシングに加えて5′キャップやポリA尾部の付加を受けて、成熟mRNAになります。さらに選択的スプライシングによって、同じ遺伝子からエキソンの組み合わせが違うmRNAを作ることもできます。

転写が設計図をコピーする過程、RNA加工がそのコピーを現場で使える形に整える過程。そして次の翻訳で、その設計図をもとに実際にタンパク質を作っていきます。