リボソームフレームシフトは、翻訳フレームシフトまたは翻訳リコーディングとも呼ばれ、翻訳中に起こる生物学的現象であり単一のmRNAから複数の固有のタンパク質が生成される。 [1]このプロセスはmRNAのヌクレオチド配列によってプログラムすることができ、二次的な3次元mRNA構造の影響を受けることもある。 [2]主にウイルス（特にレトロウイルス）、レトロトランスポゾン、細菌挿入要素、そして一部の細胞遺伝子において報告されている。 [3]

小分子、タンパク質、核酸もフレームシフトを刺激することが分かっています。2023年12月には、BNT162b2 （ファイザー・ビオンテック）抗COVID-19ワクチンに反応してin vitro転写（IVT）されたmRNAがリボソームフレームシフトを引き起こすことが報告されました。[4]

プロセスの概要

タンパク質は、mRNA鎖上の3ヌクレオチド（コドンとも呼ばれる）を、アミノ酸メチオニンを開始コドンAUGとして、 mRNAの一方の端からもう一方の端（5'端から3'端）へ読み取ることによって翻訳されます。各コドンは1つのアミノ酸に翻訳されます。コード自体は縮重していると考えられており、特定のアミノ酸は複数のコドンで指定できます。ただし、読み枠内で3で割り切れない数のヌクレオチドがシフトすると、後続のコドンの読み方が変わります。[5]これにより、リボソームの読み枠が実質的に変更されます。

例文

この例では、3 文字の単語からなる次の文は、最初から読むと意味が通ります。 

|開始|猫と男は太っています...
|開始|123 123 123 123 123 123 123 ...

しかし、最初の単語のTとHの間に読み取りフレームが1文字シフトすると（0の位置をTの最初の位置と見なすと、実質的に+1フレームシフト）、 

T |開始|HEC ATA NDT HEM ANA REF AT...
-|開始|123 123 123 123 123 123 12...

そうすると、文章は違って読み取れ、意味をなさなくなります。

DNAの例

この例では、以下の配列はヒトミトコンドリアゲノムの領域であり、2つの重複遺伝子 MT-ATP8とMT-ATP6が含まれています。これらのコドンを先頭から読み取ると、リボソームにとって意味を持ち、脊椎動物ミトコンドリアコードに従ってアミノ酸（AA）に変換されます。 

|開始| A AC GAA AAT CTG TTC GCT TCA ...
|開始|123 123 123 123 123 123 123 ...
| AA | NENLFAS ...

ただし、1ヌクレオチド下流から開始して読み取りフレームを変更してみましょう (0 位置をAの最初の位置と見なすと、実質的には「+1 フレームシフト」になります)。 

A |スタート|ACG AAA ATC TGT TCG CTT CA...
-|開始|123 123 123 123 123 123 12...
 | AA | TKICSL ...

この+1フレームシフトにより、DNA配列の読み方が変わります。したがって、コドンの読み枠が異なると、異なるアミノ酸が生成されます。

効果

翻訳中のリボソームの場合、フレームシフトはナンセンス変異、フレームシフト後の未熟な終止コドン、あるいはフレームシフト後に全く新しいタンパク質の生成を引き起こす可能性があります。フレームシフトがナンセンス変異をもたらす場合、ナンセンス変異介在性mRNA分解（NMD）経路によってmRNA転写産物が破壊される可能性があるため、フレームシフトは関連遺伝子の発現レベルを調節する方法として機能します。 [6]

新規またはオフターゲットタンパク質が生成されると、他の未知の結果を引き起こす可能性があります。[4]

ウイルスと真核生物における機能

ウイルスでは、この現象が特定の部位で発生するようにプログラムされており、ウイルスは同一のmRNAから複数種類のタンパク質をコードすることができます。注目すべき例としては、 HIV-1（ヒト免疫不全ウイルス）[7] 、 RSV（ラウス肉腫ウイルス）[8]、インフルエンザウイルス[9]などが挙げられます。これらはすべて、フレームシフトを利用して、0フレーム（通常の翻訳）と「トランスフレーム」（フレームシフトされた配列によってコードされる）タンパク質の適切な比率を作り出しています。ウイルスにおけるこの利用は、主に、より多くの遺伝情報をより少ない量の遺伝物質に凝縮することを目的としています。

真核生物では、未熟な転写終結を生成し、機能しない転写産物を生成することで遺伝子発現レベルを調節する役割を果たしていると思われる。[3] [10]

フレームシフトの種類

最も一般的なフレームシフトは、−1フレームシフト、あるいはプログラムされた−1リボソームフレームシフト（−1 PRF）である。その他の稀なフレームシフトとしては、+1フレームシフトと−2フレームシフトがある。[2] −1フレームシフトと+1フレームシフトは、後述する異なるメカニズムによって制御されると考えられている。どちらのメカニズムも速度論的に駆動される。

プログラムされた-1リボソームフレームシフト

ラウス肉腫ウイルスのスリッパー配列における2つのtRNAのタンデムスリッページ。フレームシフト後、新たな塩基対は1番目と2番目のヌクレオチドでは正しいが、ウォブル位置では正しくない。リボソームのE、P、A部位が示されている。伸長するポリペプチド鎖の位置は図に示されていない。これは、-1スリッページがポリペプチドがP部位tRNAからA部位tRNA（この場合はAsn tRNAからLeu tRNA）へ転移する前か後かについて、まだコンセンサスが得られていないためである。[8]

−1 フレームシフトでは、リボソームは 1 ヌクレオチド戻り、−1 フレームで翻訳を継続します。−1 フレームシフト信号は通常、スリッパリー配列、スペーサー領域、およびRNA 二次構造の 3 つの要素で構成されます。スリッパリー配列は X_XXY_YYH モチーフに適合します。ここで、XXX は任意の 3 つの同一のヌクレオチド (例外もいくつかあります)、YYY は通常 UUU または AAA、H は A、C、または U を表します。このモチーフの構造には 2 つの隣接する 3 ヌクレオチドの繰り返しが含まれているため、−1 フレームシフトはタンデム スリッページ モデルで説明されると考えられています。このモデルでは、リボソームの P サイト tRNA アンチコドンが XXY から XXX に再ペアリングし、同時に A サイト アンチコドンが YYH から YYY に再ペアリングします。これらの新しいペアリングは、3 番目の位置を除いて 0 フレームのペアリングと同一です。この違いはアンチコドン結合に有意な悪影響を与えない。なぜなら、コドンの3番目のヌクレオチド（ウォブル位置）は、1番目と2番目のヌクレオチドよりもtRNAのアンチコドン結合特異性が弱いからである。[2] [11]このモデルでは、モチーフ構造は、アンチコドンの1番目と2番目の位置が0フレームと-1フレームの両方で完全に対合する必要があるという事実によって説明される。したがって、ヌクレオチド2と1は同一でなければならず、ヌクレオチド3と2も同一でなければならないため、ずれるtRNAごとに3つの同一ヌクレオチドの配列が必要となる。[12]

+1 リボソームフレームシフト

リボソームとPサイトtRNAが希少なアルギニンtRNAの到着を待つ間、+1フレームシフトが発生します。新しいフレームのAサイトコドンは、より一般的なグリシンtRNAのアンチコドンと対合し、翻訳が続行されます。[13]

+1 フレームシフト シグナルのスリッパー配列には同じモチーフはなく、代わりにリボソームを希少アミノ酸をコードする配列で一時停止させることで機能するようです。[13]リボソームは、配列に関係なく、一定の速度でタンパク質を翻訳しません。特定のコドンは翻訳に長い時間がかかりますが、これは、その特定のコドンのtRNAが細胞質に等量存在しないためです。[14]この遅れのため、コドン配列の小さなセクションに、リボソームのフレームシフトの速度を制御します。具体的には、リボソームは希少 tRNA の到着を待つために一時停止する必要があり、これにより、リボソームとそれに関連する tRNA が新しいフレームに滑り込む速度論的有利性が高まります。[13] [15]このモデルでは、読み枠の変更は 2 回ではなく 1 回の tRNA スリップによって引き起こされます。

制御メカニズム

リボソームフレームシフトは、mRNA配列に見られる機構によって制御される可能性があります（シス作用性）。これは通常、滑りやすい配列、RNA二次構造、またはその両方を指します。-1フレームシフトシグナルは、通常5～9ヌクレオチド長のスペーサー領域によって分離された両方の要素で構成されます。[2]フレームシフトは、リボソームまたはmRNAと相互作用する他の分子によっても誘導される可能性があります（トランス作用性）。

フレームシフトシグナル要素

これはHIV1のフレームシフトシグナルを図示したものです。スリッパー配列領域における-1フレームシフトは、 gagタンパク質コード領域（オープンリーディングフレーム（ORF））ではなくpolタンパク質の翻訳を引き起こします。gagタンパク質とpolタンパク質はどちらも、HIV1の複製に不可欠な逆転写酵素に必要です。[7]

滑りやすいシーケンス

スリッパ配列は、読み取り中のリボソームを「滑らせる」可能性があり、いくつかのヌクレオチド（通常は1つだけ）をスキップさせ、その後全く異なるフレームを読み取ってしまう可能性があります。プログラムされた-1リボソームフレームシフトでは、スリッパ配列はX_XXY_YYHモチーフに適合します。ここで、XXXは任意の3つの同一のヌクレオチド（ただし例外もあります）、YYYは通常UUUまたはAAA、HはA、C、またはUを表します。+1フレームシフトの場合、スリッパ配列には対応するtRNAがより稀なコドンが含まれており、新しいフレームのコドンにはより一般的なtRNAが関連しているため、フレームシフトが有利になります。[13]スリッパ配列の一例として、mRNA上のポリAが挙げられます。これは、他の要素が存在しない場合でもリボソームのスリッページを引き起こすことが知られています。[16]

RNAの二次構造

リボソームの効率的なフレームシフトには、一般的に、スリッピー配列の効果を高めるためのRNA二次構造の存在が必要である。[12] RNA構造（ステムループまたは擬似結び目構造）は、翻訳中にリボソームをスリッピー部位で一時停止させ、-1位から複製を再開させると考えられている。これは、RNA構造がリボソームmRNAトンネルに閉じ込められることでリボソームの動きを物理的に阻害するためであると考えられている。[2]このモデルは、擬似結び目の強度が関連するmRNAのフレームシフトレベルと正の相関関係にあるという事実によって裏付けられている。[3] [17]

以下は、様々な生物においてフレームシフトを刺激することが示されているフレームシフトエレメントの予測される二次構造の例です。示されている構造の大部分はステムループですが、ALIL（頂端ループ-内部ループ）シュードノット構造は例外です。これらの画像では、mRNAの大きく不完全な円は線状領域を表しています。二次的な「ステムループ」構造は、mRNAの領域が同一鎖上の別の領域と塩基対合することで「ステム」を形成し、線状DNAから突出している様子が示されています。HIVリボソームフレームシフトシグナルの線状領域には、高度に保存されたUUU UUU Aスリッパリー配列が含まれています。他の多くの予測構造にも、スリッパリー配列の候補が含まれています。

画像中のmRNA配列は、一連のガイドラインに従って読み取ることができます。A、T、C、Gは特定の位置にあるヌクレオチドを表しますが、その位置に複数の種類のヌクレオチドが存在する可能性がある場合に曖昧さを表す文字もあります。国際純正応用化学連合（IUPAC）の規則は次のとおりです。[18]

これらの記号はRNAにも適用されますが、T（チミン）がU（ウラシル）に置き換えられます。[18]

トランスアクティング要素

小分子、タンパク質、核酸はフレームシフトのレベルを刺激することが分かっています。例えば、ポリアミン合成経路における負のフィードバックループのメカニズムは、ポリアミンレベルが+1フレームシフトの増加を刺激し、その結果阻害酵素が産生されることに基づいています。コドン認識に必要なタンパク質やmRNA配列に直接結合するタンパク質も、フレームシフトのレベルを調節することが示されています。マイクロRNA（miRNA）分子はRNAの二次構造にハイブリダイズし、その強度に影響を与える可能性があります。[6]

参照

参考文献

  1. ^ Atkins JF, Loughran G, Bhatt PR, Firth AE, Baranov PV (2016年9月). 「リボソームフレームシフトと転写スリップ：遺伝的ステガノグラフィーと暗号化から偶発的利用へ」. Nucleic Acids Research . 44 (15): 7007– 7078. doi :10.1093/nar/gkw530. PMC  5009743. PMID  27436286 .
  2. ^ abcde Napthine S, Ling R, Finch LK, Jones JD, Bell S, Brierley I, Firth AE (2017年6月). 「タンパク質誘導性リボソームフレームシフトが遺伝子発現を一時的に制御する」. Nature Communications . 8 15582. Bibcode :2017NatCo...815582N. doi :10.1038/ncomms15582. PMC 5472766. PMID 28593994  . 
  3. ^ abc Ketteler R (2012). 「プログラムされたリボソームフレームシフトについて：代替プロテオーム」. Frontiers in Genetics . 3 : 242. doi : 10.3389/fgene.2012.00242 . PMC 3500957. PMID  23181069 . 
  4. ^ ab マロニー、トーマス E.;ポイリ、トゥイヤ。ヤム・パック、フアン・カルロス。ラスト、マリア。ハーベイ、ロバート F.カルマル、ラヨス;ホーナー、エミリー。ブース、ルーシー。フェレイラ、アレクサンダー P.マーク・ストーンリー。サワルカー、リトウィック。メンツァー、アレクサンダー J.リリー、キャスリン S.スメールズ、C.マーク。フォン・デア・ハール、トビアス（2023年12月6日）。 「mRNA の N1-メチルシュードウリジル化は +1 リボソーム フレームシフトを引き起こす」。自然。625 (7993): 189–194 .土井: 10.1038/s41586-023-06800-3。ISSN  1476-4687。PMC 10764286。PMID  38057663。 
  5. ^ Ivanov IP, Atkins JF (2007). 「酵母および原生生物からヒトへのアンチザイムmRNAのデコードにおけるリボソームフレームシフト：300件近くの事例から、根底にある保存性にもかかわらず顕著な多様性が明らかになる」. Nucleic Acids Research . 35 (6): 1842– 1858. doi :10.1093/nar/gkm035. PMC 1874602. PMID 17332016  . 
  6. ^ ab Dever TE, Dinman JD, Green R (2018年8月). 「真核生物における翻訳伸長と再コーディング」. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology . 10 (8) a032649. doi :10.1101/cshperspect.a032649. PMC 6071482. PMID 29610120  . 
  7. ^ ab Jacks T, Power MD, Masiarz FR, Luciw PA, Barr PJ, Varmus HE (1988年1月). 「HIV-1 gag-pol発現におけるリボソームフレームシフトの特徴」. Nature . 331 (6153): 280– 283. Bibcode :1988Natur.331..280J. doi :10.1038/331280a0. PMID  2447506. S2CID  4242582.
  8. ^ ab Jacks T, Madhani HD, Masiarz FR, Varmus HE (1988年11月). 「ラウス肉腫ウイルスgag-pol領域におけるリボソームフレームシフトのシグナル」. Cell . 55 (3): 447– 458. doi :10.1016/0092-8674(88)90031-1. PMC 7133365. PMID 2846182  . 
  9. ^ Jagger BW, Wise HM, Kash JC, Walters KA, Wills NM, Xiao YL, Dunfee RL, Schwartzman LM, Ozinsky A, Bell GL, Dalton RM, Lo A, Efstathiou S, Atkins JF, Firth AE, Taubenberger JK, Digard P (2012年7月). 「インフルエンザAウイルスセグメント3の重複タンパク質コード領域が宿主応答を調節する」. Science . 337 (6091): 199– 204. Bibcode :2012Sci...337..199J. doi :10.1126/science.1222213. PMC 3552242. PMID  22745253 . 
  10. ^ Advani VM, Dinman JD (2016年1月). 「遺伝コードの再プログラミング：細胞遺伝子発現制御におけるリボソームフレームシフトの新たな役割」. BioEssays . 38 (1): 21– 26. doi :10.1002/bies.201500131. PMC 4749135. PMID 26661048  . 
  11. ^ Crick FH (1966年8月). 「コドン—アンチコドンペアリング：ウォブル仮説」. Journal of Molecular Biology . 19 (2): 548– 555. doi :10.1016/S0022-2836(66)80022-0. PMID  5969078.
  12. ^ ab Brierley I (1995年8月). 「リボソームフレームシフトウイルスRNA」. The Journal of General Virology . 76 (Pt 8) (8): 1885– 1892. doi : 10.1099/0022-1317-76-8-1885 . PMID  7636469.
  13. ^ abcd Harger JW, Meskauskas A, Dinman JD (2002年9月). 「プログラムされたリボソームフレームシフトの『統合モデル』」 . Trends in Biochemical Sciences . 27 (9): 448– 454. doi :10.1016/S0968-0004(02)02149-7. PMID  12217519.
  14. ^ グルヴィッチ OL、バラノフ PV、ゲステランド RF、アトキンス JF (2005 年 6 月)。 「発現レベルは、大腸菌におけるタンデム希少アルギニンコドン AGG_AGG および AGA_AGA におけるリボソーム フレームシフトに影響を与えます。」細菌学ジャーナル。187 (12): 4023–4032。土井:10.1128/JB.187.12.4023-4032.2005。PMC 1151738。PMID  15937165。 
  15. ^ Caliskan N, Katunin VI, Belardinelli R, Peske F, Rodnina MV (2014年6月). 「阻害された転座中の運動学的分割によるプログラムされた-1フレームシフト」. Cell . 157 (7): 1619– 1631. doi : 10.1016/j.cell.2014.04.041 . PMC 7112342. PMID 24949973  . 
  16. ^ Arthur L, Pavlovic-Djuranovic S, Smith-Koutmou K, Green R, Szczesny P, Djuranovic S (2015年7月). 「リジンをコードするA-rich配列による翻訳制御」. Science Advances . 1 (6) e1500154. Bibcode :2015SciA....1E0154A. doi :10.1126/sciadv.1500154. PMC 4552401. PMID  26322332 . 
  17. ^ Hansen TM, Reihani SN, Oddershede LB, Sørensen MA (2007年4月). 「メッセンジャーRNAシュードノットの機械的強度とリボソームフレームシフトの相関関係」. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America . 104 (14): 5830– 5835. Bibcode :2007PNAS..104.5830H. doi : 10.1073/pnas.0608668104 . PMC 1838403. PMID  17389398 . 
  18. ^国際生化学連合abc命名委員会（NC-IUB）（1984年）「核酸配列中の不完全指定塩基の命名法」 2008年2月4日閲覧。
  19. ^ Mazauric MH, Licznar P, Prère MF, Canal I, Fayet O (2008年7月). 「アピカルループ-インターナルループRNAシュードノット：細菌における-1翻訳フレームシフトの新たな刺激因子」. The Journal of Biological Chemistry . 283 (29): 20421– 20432. doi : 10.1074/jbc.M802829200 . PMID  18474594.
  20. ^ Ivanov IP, Anderson CB, Gesteland RF, Atkins JF (2004年6月). 「多様な無脊椎動物のサブセットにおける新規アンチザイムmRNA +1フレームシフト刺激性擬似ノットの同定と、中間種におけるその明らかな不在」. Journal of Molecular Biology . 339 (3): 495– 504. doi :10.1016/j.jmb.2004.03.082. PMC 7125782. PMID 15147837  . 
  21. ^ Baranov PV, Henderson CM, Anderson CB, Gesteland RF, Atkins JF, Howard MT (2005年2月). 「SARS-CoVゲノムの解読におけるプログラムされたリボソームフレームシフト」. Virology . 332 (2): 498– 510. doi : 10.1016/j.virol.2004.11.038 . PMC 7111862. PMID 15680415  . 
  22. ^ Larsen B, Gesteland RF, Atkins JF (1997年8月). 「大腸菌dnaXリボソームフレームシフトに必要なステムループの構造プロービングと変異原性解析：プログラム効率50%」. Journal of Molecular Biology . 271 (1): 47– 60. doi :10.1006/jmbi.1997.1162. PMC 7126992. PMID 9300054  .