レトロン
RNAファミリー
レトロン msr RNA
MSRの予測される二次構造と配列の保存性
識別子
シンボルmsr
RfamRF00170
その他のデータ
RNA型遺伝子
ドメイン細菌
それでSO:0000233
PDB構造PDBe

レトロンは、多くの細菌種のゲノム中に見られる特有のDNA配列で、逆転写酵素と、マルチコピー一本鎖 DNA (msDNA)と呼ばれるユニークな一本鎖 DNA/RNA ハイブリッドをコードしています。レトロンの msr RNA は、レトロン要素によって生成される非コード RNAであり、msDNA 合成の直接の前駆体です。レトロンの msr RNA は、ステムループの末端に保存されたグアノシン残基を含む特徴的な二次構造に折り畳まれます。レトロンにコードされた逆転写酵素 (RT) による DNA 合成の結果、小さな一本鎖 DNA と小さな一本鎖 RNA が結合したDNA/RNA キメラが生成されます。RNA 鎖は、保存された内部グアノシン残基の 2' 位から発生する 2'-5' ホスホジエステル結合を介して DNA 鎖の 5'末端に結合されています。

シーケンスと構造

レトロンオペロンは、3つの遺伝子座（ msr、msd、ret）を含むRNA転写産物の合成を制御するプロモーター配列Pを担っています。ret遺伝子産物は逆転写酵素であり、RNA転写産物のmsd/msr部分をmsDNAに変換します。

レトロンエレメントは約2 kbの長さです。RNA転写産物の合成を制御する単一のオペロンを含み、msDNA合成に関与する3つの遺伝子座、 msr、msd、retを担っています。msDNAのDNA部分はmsd遺伝子によって、RNA部分はmsr遺伝子によってコードされています。一方、 ret遺伝子の産物は、レトロウイルスや他の種類のレトロエレメントによって生成される逆転写酵素に類似した逆転写酵素です。 [1]他の逆転写酵素と同様に、レトロン逆転写酵素には、触媒コアに関連する高度に保存されたtyr - ala - asp - asp （YADD）配列を含む、 7つの保存されたアミノ酸領域（図の1～7）が含まれています。ret遺伝子産物は、 RNA転写産物の msd/msr部分をmsDNAに処理する役割を担っています。

分類と発生

動物ウイルスで発見されて以来、長年にわたり、逆転写酵素は原核生物には存在しないと考えられてきました。しかし現在では、逆転写酵素をコードする要素、すなわち レトロエレメントが、多種多様な細菌で発見されています。

  • レトロンは細菌で発見された最初のレトロエレメントファミリーです。他の 2 つの既知の細菌レトロエレメントファミリーは次のとおりです。
  • グループIIイントロン：グループIIイントロンは、細菌のレトロエレメントの中で最もよく特徴づけられており、自律的な移動を示すことが知られている唯一のタイプです。グループIIイントロンは、触媒的自己スプライシングRNA構造内にコードされた逆転写酵素（RT）で構成されています。グループIIイントロンの移動は、 2つのイントロンコードタンパク質に結合したイントロンラリアットからなるリボ核タンパク質によって媒介されます。[2]
  • 多様性生成レトロエレメント（DGR）[3] 。DGRは移動性はないが、DNA配列を多様化させる機能を持つ。[2]例えば、DGRはボルデテラの病原性段階と自由生活段階の切り替えを媒介する。[4]

関数

レトロンは移動しないため、多様な細菌種に出現することは「利己的DNA」現象ではありません。むしろ、細菌のレトロンは細菌宿主をファージ感染からある程度保護します。いくつかのレトロンは、特定のタンパク質エフェクター遺伝子に隣接するDNA領域に位置しています。レトロンの発現が活性化されると、これらのエフェクター遺伝子と関連するレトロンのほとんどが連携してファージ感染を阻止します。[5] [6]

遺伝子工学におけるレトロン

レトロンは、細胞内で一本鎖DNA（ssDNA）を産生する独自の能力により、遺伝子工学における強力なツールとして注目されています。レトロンの主な用途は以下のとおりです。

ゲノム編集のためのin situ DNA生成

レトロンは非コードRNAの逆転写によって一本鎖DNAを生成します。この一本鎖DNAは、例えばリコンビナーリングやCRISPRベースのシステムにおいて、ゲノム編集のためのドナーテンプレートとして利用できます。このアプローチにより、外部DNAを導入することなく、正確かつ標的を絞った変異を誘導することができます。[7] [8]

レトロンライブラリリコンビニアリング（RLR）

RLRは、超並列ゲノム編集を可能にする技術です。レトロンを用いて、それぞれに分子「バーコード」がタグ付けされた、数百万ものユニークな変異を同時に生成します。[9] [10]これにより、研究者は以下のことが可能になります。

  • ハイスループット遺伝子スクリーニングを実行する
  • 単一ゲノム上の複数の部位を同時に改変する
  • 遺伝子型と表現型の関係を研究する
  • 大規模な細胞集団における変異を追跡する

生物学的記録

レトロンは分子記録装置として機能するように設計されており、特定のDNA配列をゲノムに組み込むことで細胞内のイベントに関する情報を捕捉します。これは、遺伝子発現や環境変化の経時的なモニタリングに利用できる可能性があります。[11]

CRISPRに比べて毒性が低い

CRISPR-Cas9は毒性があったり、オフターゲット効果につながる可能性のある二本鎖切断（DSB）を導入しますが、レトロンベースの編集ではDSBを回避するため、特定の用途では毒性が低い代替手段となります。[12] [13]

合成生物学と進化工学

レトロンは合成ゲノムの継続的な進化のために研究されており、突然変異と選択の反復サイクルを可能にして微生物の新しい形質や機能を進化させます。[14] [15] [16]

参考文献

  1. ^ Lampson BC, Inouye M, Inouye S (2005). 「レトロン、msDNA、そして細菌ゲノム」(PDF) . Cytogenet Genome Res . 110 ( 1–4 ): 491–499 . doi :10.1159/000084982. PMID  16093702. S2CID  24854188.
  2. ^ ab Medhekar B, Mille JF (2007). 「多様性を生み出すレトロエレメント」. Current Opinion in Microbiology . 10 (4): 388– 395. doi :10.1016/j.mib.2007.06.004. PMC 2703298. PMID  17703991 .  
  3. ^ Simon DM, Zimmerly S (2008). 「細菌における未解析逆転写酵素の多様性」. Nucleic Acids Res . 36 (22): 7219– 7229. CiteSeerX 10.1.1.358.8390 . doi :10.1093/nar/gkn867. PMC 2602772. PMID  19004871 .   
  4. ^ Liu M, Gingery M, Doulatov SR, Liu Y, Hodes A, Baker S, Davis P, Simmonds M, Churcher C, Mungall K, Quail MA, Preston A, Harvill ET, Maskell DJ, Eiserling FA, Parkhill J, Miller JF (2004). 「逆転写酵素を介したトロピズムスイッチングカセットをコードするボルデテラバクテリオファージのゲノムおよび遺伝子解析」. J. Bacteriol . 186 (5): 1503– 1517. Bibcode :2004JBact.186.1503L. doi :10.1128/JB.186.5.1503-1517.2004. PMC 344406. PMID 14973019  .  
  5. ^ ボボニス、ジェイコブ;ミトッシュ、カリン。マテウス、アンドレ。ケルヒャー、ニコライ。ジョージ・クリティコス。セルクリグ、ジョエル。ジーテク、マチルダ。モンソン、ビビアン。ファルツ、ビルギット。ガルシア・サンタマリナ、サレラ;マルコ・ガラルディーニ;末木アンナ。小林、カリー。スタイン、フランク。ベイトマン、アレックス (2022-09-01)。 「細菌のレトロンは、ファージを防御する毒素-抗毒素の三者系システムをコードしている」。自然。609 (7925): 144–150。ビブコード:2022Natur.609..144B。土井：10.1038/s41586-022-05091-4。ISSN  0028-0836。PMC 11938430。PMID 35850148。S2CID 250643138  。​ ​ 
  6. ^ ミルマン A、ベルンハイム A、ストーカー＝アヴィハイル A、フェドレンコ T、ヴォイチェック M、リービット A、オッペンハイマー＝シャーナン Y、ソレク R (2020)。 「抗ファージ防御における細菌のレトロン機能」。セル。183 (6): 1551 – 1561. doi : 10.1016/j.cell.2020.09.065。PMID  33157039。
  7. ^ カーン、アシム G.ロハス・モンテロ、マティアス;ゴンサレス・デルガド、アレハンドロ。ロペス、サンティアゴ C.ファング、レベッカ F.クロフォード、ケイト D.シップマン、セス L. (2025)。 「DNA生産とゲノム編集のためのレトロンの実験的調査」。ネイチャーバイオテクノロジー。43 (6): 914–922。土井:10.1038/s41587-024-02384-z。PMC 11911249。PMID  39289529。 
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  • RfamのRetron msr RNAのページ
  • 細菌中の謎の分子がガードであることが判明、EurekAlert!、2020年11月5日。出典：ワイツマン科学研究所
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