主な違い – mRNA vs tRNA
メッセンジャーRNA（mRNA）とトランスファーRNA（tRNA）は、タンパク質合成に機能する2種類の主要なRNAです。
ゲノム中のタンパク質をコードする遺伝子は、RNAポリメラーゼという酵素によってmRNAに転写されます。
このステップはタンパク質合成の最初のステップであり、タンパク質のコード化と呼ばれる。
このタンパク質がコードされたmRNAは、リボソームでポリペプチド鎖に翻訳される。
この段階はタンパク質合成の第二段階であり、タンパク質のデコーディングと呼ばれる。
tRNAは、mRNAにコードされた特定のアミノ酸の運搬役です。
mRNAとtRNAの主な違いは、mRNAが遺伝子とタンパク質の間のメッセンジャーとして機能するのに対し、tRNAはタンパク質合成を処理するために、特定のアミノ酸をリボソームへ運び込むことである。
今回はその解説をします。
- mRNAとは
– 構造、機能、合成、分解 - tRNAとは
– 構造、機能、合成、分解 - mRNAとtRNAの違いとは？
mRNAとは
メッセンジャーRNAは、タンパク質をコードする遺伝子をコードしている細胞内に存在するRNAの一種である。
mRNAは、タンパク質合成を促進するリボソームへのタンパク質のメッセージの運搬役と考えられている。
タンパク質をコードする遺伝子は、核内で起こる転写と呼ばれるイベントの間に、RNAポリメラーゼという酵素によってmRNAに転写されます。
転写後のmRNA転写体は、一次転写体またはプレmRNAと呼ばれる。
mRNAの一次転写物は、核の中で転写後の修飾を受けます。
成熟したmRNAは細胞質へ放出され、翻訳される。
図1に示すように、転写と翻訳が分子生物学のセントラルドグマです。
図1: 分子生物学のセントラルドグマ
mRNAの構造
mRNAは直鎖状の一本鎖分子です。
成熟mRNAは、コード領域、非翻訳領域（UTR）、5′キャップ、3′ポリAテールから構成されている。
mRNAのコーディング領域には、ゲノム中のタンパク質をコードする遺伝子と相補的な一連のコドンが含まれている。
コーディング領域には、翻訳を開始するための開始コドンが含まれている。
開始コドンはAUGであり、ポリペプチド鎖中のアミノ酸メチオニンを指定する。
開始コドンに続くコドンは、ポリペプチド鎖のアミノ酸配列を決定する役割を担っている。
翻訳が終了するのは停止コドンです。
UAA、UAG、UGAというコドンが翻訳の終了を担っている。
ポリペプチドのアミノ酸配列を決定する以外に、プレmRNAのコード領域の一部は、プレmRNAのプロセシングの制御に関与し、エキソニックスプライシングエンハンサー/サイレンサーとして機能する。
mRNAのコーディング領域の前後に存在する領域をそれぞれ5′UTR、3′UTRと呼びます。
UTRは、RNAを分解するRNase酵素との親和性を変化させることで、mRNAの安定性を制御しています。
また、mRNAの細胞質への局在は、3′UTRによって行われる。
mRNAの翻訳効率は、UTRに結合しているタンパク質によって決定される。
3′UTR領域の遺伝的変異は、RNAの構造およびタンパク質の翻訳を変化させることにより、疾患感受性につながる。
5′キャップは、グアニンの修飾ヌクレオチドである7-メチルグアノシンが5′-5′-トリリン酸結合を介して結合したもので、5′キャップは、グアニンの修飾ヌクレオチドです。
3’ポリAテールは、mRNAの一次転写産物の3′末端に付加された数百個のアデニンヌクレオチドです。
真核生物のmRNAは、ポリA結合タンパク質と翻訳開始因子であるeIF4Eと相互作用して環状構造を形成している。
eIF4EとポリA結合タンパク質はともに、翻訳開始因子であるeIF4Gと結合する。
この循環により、mRNAの輪の上でリボソームが循環して時間効率の良い翻訳が促進される。
また、インタクトなRNAも翻訳される。
合成・加工・機能 mRNA
mRNAは、タンパク質合成のプロセスの最初のステップである転写と呼ばれるイベントで合成される。
転写に関与する酵素はRNAポリメラーゼです。
タンパク質をコードする遺伝子はmRNA分子にコード化され、翻訳のために細胞質へ輸送される。
真核生物のmRNAのみ、プレmRNAから成熟mRNAを生成するプロセッシングを受ける。
プレmRNAのプロセシングでは、3つの主要なイベントが発生する。
5′キャップの付加、3′キャップの付加、イントロンのスプライシングです。
5′キャップの付加は共転写で行われる。
5′キャップはRNaseからの保護として機能し、リボソームによるmRNAの認識に重要です。
3′ポリAテール／ポリアデニレーションは転写の直後に起こる。
ポリAテールは、mRNAをRNaseから保護し、核から細胞質へのmRNAの輸送を促進する。
真核生物のmRNAは、2つのエキソンの間にイントロンが存在する。
したがって、これらのイントロンはスプライシングの際にmRNA鎖から除去される。
mRNAの中には、ヌクレオチド組成を変化させるために編集されるものもあります。
翻訳とは、アミノ酸鎖を合成するために成熟mRNAを解読するイベントです。
原核生物のmRNAは、転写後の修飾を受けず、細胞質へ輸送される。
原核生物の転写は細胞質自体で行われる。
真核生物の成熟mRNAは処理された後、核から細胞質へ輸送される。
真核生物の成熟mRNAは、プロセシングされた直後に核から細胞質へ輸送される。
翻訳を促進するのは、細胞質内を自由に動き回るリボソームか、真核生物では小胞体に結合しているリボソームです。
mRNAの分解
原核生物のmRNAは、一般に比較的長い寿命を持つ。
しかし、真核生物のmRNAは短命であり、遺伝子発現の制御が可能である。
原核生物のmRNAは、エンドヌクレアーゼ、3′エキソヌクレアーゼ、5′エキソヌクレアーゼなど様々な種類のリボヌクレアーゼによって分解される。
RNase IIIは、RNA干渉の際にsmall RNAを分解する。
また、RNase Jは原核生物のmRNAを5′から3′まで分解する。
真核生物のmRNAは翻訳後、エキソソーム複合体かデキャッピング複合体によってのみ分解される。
真核生物の非翻訳RNAはリボヌクレアーゼでは分解されない。
tRNAとは
tRNAは、タンパク質合成に関与する2種類目のRNAです。
tRNAは、mRNA上の特定のコドンと相補的なアンチコドンをそれぞれ担っている。
tRNAは、mRNAのコドンによって指定されたアミノ酸をリボソームへ運ぶ。
リボソームは、既存のアミノ酸と入力されたアミノ酸の間にペプチド結合を形成するのを促進する。
tRNAの構造
tRNAは、一次構造、二次構造、三次構造から構成されている。
一次構造は、直鎖状のtRNA分子です。
長さは約76〜90ヌクレオチド。
二次構造はクローバーの葉のような形をしています。
三次構造はL字型の立体構造です。
この3次構造により、tRNAはリボソームと適合することができる。
tRNAの二次構造は、5′末端のリン酸基から構成されている。
アクセプターの腕の3′末端には、アミノ酸と結合するCCAテールがあります。
アミノ酸は、アミノアシルtRNA合成酵素によってCCAテールの3′水酸基に連続的に結合している。
アミノ酸が結合したtRNAはアミノアシルtRNAと呼ばれる。
CCAテールは、tRNAの処理過程で付加される。
二次構造tRNAは4つのループから構成されている。
Dループ、TΨCループ、可変ループ、アンチコドンループ。
アンチコドンループには、リボソーム内でmRNAのコドンと相補的に結合しているアンチコドンが含まれている。
tRNAの二次構造は、ヘリックスが同軸に積み重なることで三次構造となる。
図5にアミノアシルtRNAの3次構造を示す。
図5: アミノアシルtRNA
tRNAの機能
アンチコドンはヌクレオチドの三重鎖で構成され、tRNA1分子に1つずつ存在する。
アンチコドンは、ウォブル塩基対形成により複数のコドンと塩基対形成が可能である。
アンチコドンの最初のヌクレオチドはイノシンに置換されています。
イノシンは、コドン中の複数の特定のヌクレオチドと水素結合することができる。
アンチコドンはコドンと塩基対になるために、3′から5′の方向にある。
従って、同じアミノ酸を指定する冗長コドンでは、コドンの3番目のヌクレオチドが異なる。
例えば、GGU、GGC、GGA、GGGというコドンは、アミノ酸のグリシンをコードしている。
従って、1本のtRNAが上記4つのコドン全てに対応するグリシンをもたらす。
mRNA上には61個の異なるコドンが確認できる。
しかし、アミノ酸の運搬役となるtRNAは、ウォブル塩基対により31種類しか必要ない。
翻訳開始複合体は、2つのリボソームユニットとアミノアシルtRNAが組み合わさって形成される。
アミノアシルtRNAはリボソームの大サブユニットのA部位に結合し、ポリペプチド鎖はP部位に結合する。
翻訳開始コドンはAUGであり、アミノ酸のメチオニンを指定する。
コドン配列を読み取ったリボソームがmRNA上を移動することで翻訳が行われる。
ポリペプチド鎖は、入力されたアミノ酸とポリペプチド結合を形成することにより成長する。
図6：翻訳
タンパク質合成のほか、遺伝子発現の調節、代謝過程、逆転写のプライミング、ストレス応答などの役割を担っている。
tRNAの分解
tRNAは、翻訳中に最初のアミノ酸を放出した後、そのアミノ酸に特異的に結合することで再活性化される。
RNAの品質管理では、低修飾・ミスプロセシングのプレtRNAと修飾を欠いた成熟tRNAの分解に2つの監視経路が関与している。
核内監視経路と迅速tRNA崩壊（RTD）経路です。
核内監視経路では、ミスモディフィケーションや低モディフィケーションのプレtRNAや成熟tRNAは、TRAMP複合体によって3′末端ポリアデニル化され、急速にターンオーバーされる。
この現象は、酵母（Saccharomyces cerevisiae）で初めて発見されました。
rapid tRNA decay (RTD) 経路は、温度感受性で tRNA 修飾酵素を持たない酵母 trm8∆trm4∆ 変異株で初めて観察された。
通常の温度条件下では、ほとんどのtRNAは正しく折りたたまれている。
しかし、温度の変化により、tRNAは低修飾となり、RTD経路で分解される。
アクセプターステムやT-ステムに変異があるtRNAは、RTD経路で分解されます。
mRNAとtRNAの違い
名称
mRNAのこと。
tRNA。
機能
mRNAのこと。
mRNA：遺伝子とタンパク質をつなぐメッセンジャーとして機能する。
tRNA タンパク質を合成するために、指定されたアミノ酸をリボソームへ運び込む。
機能拠点
mRNA。
mRNA：核と細胞質で機能する。
tRNA。
細胞質で機能します。
コドン/アンティコドン
mRNAのこと。
遺伝子のコドン配列と相補的なコドン配列を持つmRNA。
tRNA。
mRNA上のコドンと相補的なアンチコドンを持つ。
シーケンスの連続性
mRNAのこと。
mRNAは、連続したコドンの順番を担っている。
tRNA。
tRNAは個々のアンチコドンを担っている。
形状
mRNA。
mRNAは直鎖状の一本鎖分子です。
mRNAはヘアピンループのような二次構造を形成することもあります。
tRNA。
tRNAはL字型の分子です。
サイズ
mRNA。
タンパク質をコードする遺伝子の大きさに依存する。
tRNA。
76～90塩基程度の長さ。
アミノ酸へのアタッチメント
mRNAのこと。
mRNAはタンパク質合成の際にアミノ酸と結合しない。
tRNA。
tRNAは、アクセプターアームと結合して特定のアミノ酸を運ぶ。
機能後の運命
mRNA。
mRNAは転写された後、破壊される。
tRNA 翻訳時に最初のアミノ酸を放出した後、そのアミノ酸に特異的な2番目のアミノ酸を結合させることでtRNAを再活性化させる。
結論
メッセンジャーRNAとトランスファーRNAは、タンパク質合成に関与する2種類のRNAです。
どちらもアデニン（A）、グアニン（G）、シトシン（C）、チミン（T）の4つのヌクレオチドで構成されている。
タンパク質をコードする遺伝子は、転写と呼ばれる過程でmRNAにコード化される。
転写されたmRNAは、翻訳として知られる過程で、リボソームの助けを借りてアミノ酸鎖に解読される。
mRNAをタンパク質に変換するために必要な特定のアミノ酸は、異なるtRNAによってリボソームへと運ばれる。
mRNAには61個のコドンが存在する。
また、21種類のアンチコドンは、20種類の必須アミノ酸を指定するtRNA上に確認することができる。
したがって、mRNAとtRNAの主な違いは、mRNAが特定のタンパク質のメッセンジャーであるのに対し、tRNAは特定のアミノ酸のキャリアであることである。
