エクソソーム仲介核膜タンパク質Lem2による核内RNA分解

細胞内では核酸、タンパク質、脂質などの
物質が異常に蓄積すると
細胞内の形質において様々な問題が生じます。
例えば、
この記事で焦点を当てている
RNAも分解されず蓄積すると
RNA-DNA混成による遺伝子不安定性が生じる
とされています(2)。
これは潜在的な癌化と関連があるかもしれません。
Lucía Martín Caballero(敬称略)らは
分裂酵母の核膜タンパク質であるLem2が
複数の構造とのヘテロ多量体の中で
様々な機能を持って
細胞核-エクソソーム仲介の
RNA分解を制御している事を示しています(1)。
その要約、背景と結果の一部を参照し、
その内容に対して、
RNA治療の観点での考察を加えました。
それらの内容を
読者の方と情報共有したいと思います。

//要約(1)//ーー
転写因子として不活性なクロマチンは
細胞核の周辺部に度々局在化しています。
しかしながら、
核膜(NE)が転写後の遺伝子抑制のためのサイトであるか
どうかははっきりとはわかっていません。
ここで
分裂酵母 (Schizosaccharomyces Pombe)の核膜タンパク質
であるLem2は細胞核-エクソソーム仲介のRNA分解を
制御していることが
Lucía Martín Caballero(敬称略)らの研究によって
示されました(1)。
Lem2の欠失は
RNA前駆物質、減数分裂転写産物の蓄積
細胞核周辺部からの
エンジニアリングされたエクソソームの非局在化。
これらを引き起こしました。
Lem2は直接的にRNAに結合せず、
その代わりに
エクソソーム標的のMTREC複合体とヒト相同体PAXTと
相互作用します。
それによってRNA引き寄せを促進します。
この経路はエクソソーム因子が合成される
核小体とは独立して生じます。
栄養の利用性は
減数分裂転写産物のLem2制御を改変します。
この経路は環境的に反応が早いです。
この研究は複数の空間的に特異的なRNA分解経路が存在する
事を示しています。
これらの間で、Lem2は
減数分裂転写産物とノンコーディングRNAsの
RNA監視を調和させます。
それはエクソソーム共同因子を
細胞核の周辺に引き寄せる事に寄って生じます。

//背景//ーー
真核生物の全遺伝子情報は広範に書き換えられていて
遺伝子内、遺伝子間の領域、反復成分から
センス、アンチセンスRNAsを生じさせます。
暗号化された不安定転写産物の蓄積は
RNA-DNA混成を通じて遺伝子不安定性を引き起こします(2)。
他のコーディング、ノンコーディングRNAは
連続的に書き換えられていますが、
特定の発達ステージの間に機能化します。
例えば、
分裂酵母の減数分裂mRNAsは表現されていますが、
栄養細胞内で急速に分解されます(3-6)。
継続的な監視がRNA転写産物の異常な蓄積を防ぐために必要です。
それは細胞核、細胞質経路両方で生じます。
しかしながら、
どのようにRNA分解経路が細胞核の中で調和されているか？
これについては十分に理解されていません。
転写因子のサイレンシングの中で
核周囲のアンカリング(固定化)の役割は
活発に研究されていますが、
転写後の抑制における細胞核組織の効果は不明瞭です。
--
真核生物の細胞核RNA分解は
細胞核エクソソーム、
タンパク質複合体である
Rrp6  (ribosomal  RNA  processing  6) 
Dis3/Rrp44(7)6
によって仲介されます。
RNA監視経路は基質特異性、RNAプロセシングに関与します。
それが
RNA2次構造をほどく
ポリアデニレーション、RNAヘリカーゼ活性を通して
エクソソーム標的複合体をアシストします(7)。
分解酵母では
これらの標的化複合体は
TRAMP(Trf4/5–Air1/2–Mtr4 polyadenylation) 
MTREC(Mtl1–Red1  core)
これらを含みます。
TRAMPは
non-canonical poly(A) polymerase(Cid14; Trf4/Trf5)
zinc-knuckle RNA-binding protein (Air1)
RNA helicase (Mtr4)
これらから構成されます。
分裂酵母TRAMPは動原体周囲の反復構造に由来する
転写因子を分解し、
CUT排除や低分子RNA(snoRNA)プロセシングにおいて
小さい役割(minor roles)を果たします(8-10)。
MTREC複合体は、NURS (nuclear RNA silencing)
として知られていますが、
Mtr4-like helicase Mtl1 
Zinc-finger domain protein Red1 (RNA elimination defective 1).
これらから構成されます。
MTRECはCUTs、減数分裂、
非スプライス転写産物の代謝回転を仲介します(10-12)。
また、これは
人のPAXT(poly(A)  tail  exosome  targeting)複合体と
相同な機能をもちます(13)。
MTRECは11-subunit super complex内で構成されます。
そこでは
Red1が異なるサブ分子で足場を組みます。
そして、Mtl1を通してRrp6を引き寄せます(11,12,14)。
MTRECを構成するサブモジュールは異なる活性を持ち、
Canonical Poly(A) polymerase  Pla1  
Complexes  Red5–Pab2–Rmn1,  
Ars2–Cbc1–Cbc2,
Iss10–Mmi1 
これらを含みます(10,15-20)。
--
エクソソーム標的と機能は分裂酵母の
減数分裂の転写産物代謝回転の観点で
よく理解されています。
YTHタンパク質Mmiは
DSR(determinant of selective removal)のシーケンスといｓて
知られてたヘキサヌクレオチドモチーフ(UNAAAC)を
認識します(3,4,21)。
基質の結合はMmi1の2量体化と
パートナーErh1(enhancer of rudimentary homolog 1)との
相互作用を必要とします。
それ4量体のErh1-Mmi1複合体(EMC)を形成します。
EMCはRNA基質を取り込み、
それらの細胞核からの放出と転写を抑制します(22-26)。
MmiはSer-とPro-richタンパク質Iss10(also called Pir1)と結合し、
Mmi1-MTREC相互作用(結合のため)を架橋します(10,12,14,27)。
いくつかのDSR含有の遺伝子は
Mmi1-, Red1-, Rrp6依存的な様式で
H3K9meによって印がつけられます。
それは制御のためのもう一つの層を付加します(6,11)。
Rrp6相互作用とストレス暴露の間に
RNAiを使った選択的分解経路は
HOODs((heterochromatin domains)として知られる
いくつかの遺伝子座でのH3K9me蓄積の結果となります(28)。
栄養細胞の中では
エクソソーム因子は
1つ、または複数の核内フォーカスの中に
組み立てられます。
EMC含有のフォーカスは
Erh1とMmiの結合を必要とします(25,29)。
しかし、
Red1フォーカス形成やEMCでMTRECの共局在化のため
Iss10は重要です(14,27,29)。
減数分裂の間は
Issは不安定になり、Red1フォーカスは消失します(14,30)。
これはMmi1がMTRECから解離し、
Mei2ドット内へ崩壊します。
これはRNA結合したタンパク質Mei2と
ノンコーディングRNA sme2(meiRNA)からなる核構造です(3,31)。
sme2+遺伝子座でのMei2とmeiRNAはMmi1を回収します。
結果として、Mmi1依存性RNA排除を不活性化します(31-33)。
Iss10の分解と核内フォーカスの分解は
減数分裂転写産物の蓄積と同時に生じます(30)。
↓
Lucía Martín Caballero(敬称略)らが
Fig.7に示している様に
核内フォーカス内に
不要なRNA転写産物が様々な物質と複合体化しています。
様々な物質とは
Mmi1, Red1, MTREC, EMC, Iss10です。
これがエクソソームに輸送されることで
RNA転写産物は代謝回転し、
RNA生成、分解の中の恒常性が維持されると理解しています。
しかし、複合体構成要素の中の
Issが不安定になるとこれらの複合体は崩壊していきます。
それによって分解酵母における減数分裂の
転写産物蓄積を引き起こすと考えられます。
一方で、
この報告で焦点が当てられているLem2依存のケースで
Lem2がRNA一本鎖を捕獲しているMTREC, Red複合体
と相互作用し、Mmi1とはこれらの複合体を介して
間接的に相互作用し、核膜付近の細胞核周辺部に引き付け
さらに細胞核エクソソームを誘引し、
RNAを分解させると理解しています。
--
Iss依存的なフォーカスは
特定のRNA分解サイトを示します(27,29)。
--
転写因子として不活性なクロマチンと
抑制的なヒストン改変酵素は
細胞核の周辺へ回収されます(34)。
メチルトランスフェラーゼCIr4は
細胞核周辺のヘテロクロマチンにH3K9meをマークします(35)。
それはHP1(ヘテロクロマチンタンパク質1)
クロマチンドメインタンパク質によって認識されます(36,37)。
このヘテロクロマチンのプラットフォームは
Snf2-like/HDAC含有抑制因子複合体SHRECを引き寄せます。
それによってRNAポリメラーゼⅡ(PolⅡ)への
アクセスを制限します(38)。
いくつかのNEタンパク質は
ヘテロクロマチンのサイレンシング、細胞核周辺の局在化に
関与します(39-41)。
Lem2は
LEM(LAP2,emerin, MAN1)と
MSC(MAN1-Src1p C-terminal)
ヌクレオプラスミックドメイン
を含む内側細胞核被膜(INM)の
保護された不可欠のタンパク質です。
LEMドメインは動原体テザリングに関与しますが、
MSCドメインはヘテロクロマチンサイレンシングを
仲介します(39,42-44)。
Lem2はSHRECをヘテロクロマチンに引き寄せる事を促進します。
そのことがヘテロクロマチンのサイレンシングと
核構造化とリンクします(39)。
Lem2が遺伝子制御の他のモードと関与しているかどうかは
はっきりとはしていません。
--
ここで
Lucía Martín Caballero(敬称略)らは
ノンコーディングRNAsと減数分裂遺伝子の抑制における
Lem2の総合的な役割を明らかにしています。
それはヘテロクロマチンのサイレンシングの機能とは
異なります。
Lem2は細胞核のエクソソームと共同し、
MTRECサブユニットRed1とヒトの同族体と
物理的に相互作用しました。
Lem2はエクソソーム基質の細胞核周辺の局在化と
Mmi1とRec1によるそれらの認識において重要です。
Lem2によって支援されたRNA標的は
Iss10とErh1、核フォーカス内でのそれら複合体とは
ほとんど独立の機序です。
さらに
Lem2はCUT分解とsnoRNA3'プロセスに関与します。
多数のRNA分解経路が存在し、
特異的なサブ細胞核構造に局在化します。
Lucía Martín Caballero(敬称略)らは
Lem2が細胞核周辺において
標的となるエクソソームによるRNA分解と
共同して働くことによって
RNA恒常性のための監視を支援していることを示しています(1)。

//結果概要(1)//ーー
Lem2はノンコーディんグRNAsと減数分裂遺伝子の
抑制を仲介しています
Fig.1aよりLem2レベルを変化させ、
それが増加することによって
様々なRNA、減数分裂遺伝子が減少していることがわかります。
--
Lem2と細胞核エクソソームは
RNA代謝回転サイクルにおける監視において共同して働いています。
そのためのタンパク質分解においては
多数の分解経路を通じて生じてます。
また、
Lem2は異なる基質種が持つ特異的な経路と
連携することによってRNA分解において
広範な役割を担っていることが示されています。
--
Lem2はエクソソームへ走化性を示す
Exosome targeting factor Red1と相互作用します。
それらの複合体の中で
Lem2のMSCドメインがREd1との相互作用の中で
関与します。
--
Lem2は細胞核周辺でエクソソーム標的の
サイレンシングを制御します。
その制御は主に細胞核周辺部で生じる
ことが確認されています。
Lem2はFigure.7で示されるように
核膜のタンパク質なので、
その作用点は必然的に細胞核周辺部となる
と考えられます。
--
Lem2はエクソソーム標的因子との
RNA標的の結合を促進します。
--
Lem2はRNA認識の初期のステップで
重要な役割を果たします。
--
複数の経路がエクソソーム仲介の
RNA分解に関与します。
Lem2によるRNA制御は
核内フォーカスに関連する
エクソソーム因子と独立で生じます。

//RNA治療の観点での考察//ーー
この報告はRNAの分解の機序、重要性を示しています。
細胞外小胞や合成ナノ粒子で
RNA治療を行う際に、
注意しなければいけないのは
特にmiRNAを含め、RNAを細胞内に送達させる際に
その転写産物が異常に蓄積しないように
管理する必要があります。
言い換えれば、
分解するための機序を維持することと
その維持能力を超えないように管理する事が
必要かもしれません。
仮に、細胞単位におけるオフターゲットが生じ、
通常細胞のRNAレベルが
細胞外小胞や合成ナノ粒子を使ったRNA治療で
意図しない形で上昇してしまうと
それによってRNA-DNA混成により
遺伝子不安定性が生じ、
結果として癌化してしまう可能性もあります。
RNA標的化治療を行う際には
分解を含めたサイクルと標的性について
少なくとも確保する必要があります。

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