RNA干渉生化学

RNA干渉（RNAi）、遺伝子の活動を制御する真核細胞（明確に定義された核を持つ細胞）内で発生する規制システム。RNAiは、遺伝子を沈黙させる、つまり遺伝子を不活性化するように特別に機能します。

RNAを干渉して遺伝子を抑制する能力は、1990年代にアメリカの科学者であるAndrew Z. FireとCraig C. Melloによって発見され、2006年のノーベル生理学・医学賞を受賞しました。Fire and Melloは、線虫（Caenorhabditis elegans）の細胞に短い二本鎖RNA（dsRNA）セグメントを導入することにより、特定の遺伝子の発現を正常に抑制しました。dsRNAセグメントは、相補的なヌクレオチドシーケンスを所有するメッセンジャーRNA（mRNA）の分子に付着できるようにする酵素処理を受けました。2つのRNAの結合により、mRNA分子のタンパク質への翻訳が阻害されました。

自然界のRNAi

FireとMelloの研究には干渉RNAの細胞への実験的導入が含まれていましたが、RNAiによる遺伝子サイレンシングは、転写（DNAからのmRNAの合成）に続いて起こる真核生物の自然な遺伝的メカニズムです。それぞれが約20ヌクレオチドの長さである特別なマイクロRNA（miRNA）セグメントは、真核生物のゲノムによってコードされています。各miRNAは、前駆体転写物（pre-miRNA）から生成されます。pre-miRNAが核から細胞質に移動した後、DICERと呼ばれる酵素によって切断されて成熟したmiRNAになります。成熟したmiRNA分子は、リボヌクレアーゼ酵素を含む複数のタンパク質を含むRNA誘導サイレンシング複合体（RISC）に結合します。miRNAヌクレオチド配列は、タンパク質複合体にmRNAの相補配列に結合するように指示します。mRNAに結合すると、miRNA-RISC複合体はmRNA分子の標的部位を酵素的に切断し、それによって遺伝子からタンパク質への翻訳を阻害し、遺伝子を効果的にサイレンシングします。

RNAiは、遺伝子の調節だけでなく、インフルエンザウイルスや狂犬病の原因物質を含むグループであるラブドウイルスなどのRNAウイルスによる感染に対する細胞防御の仲介にも重要な役割を果たします。実際、多くの植物や動物が、ウイルス配列に相補的な配列を持つRNA分子の短いセグメントをコードする抗ウイルスRNAi遺伝子を進化させてきました。この相補性により、細胞によって生成された干渉RNAが特定のRNAウイルスに結合して不活性化することができます。

RNAiはまた、細胞がトランスポゾンまたは「ジャンプ遺伝子」の活性を抑制することができる生得的なメカニズムでもあります。特定の種類の転置可能な要素は、それ自体の可動コピーを生成することができ、それはその後ゲノムのさまざまな領域に挿入され、DNAの反復配列を生じさせます。これらの挿入は一般的にほとんど問題になりません。しかしながら、いくつかの挿入は遺伝子活性の増加または減少をもたらし、ヒトに疾患を引き起こす可能性があります。たとえば、特定の種類のがんや遺伝性筋消耗障害であるデュシェンヌ型筋ジストロフィーは、トランスポゾンの挿入に関連しています。

研究と医学におけるRNAi

組織培養の細胞に導入されたdsRNAのセグメントによって遺伝子が沈黙できるという発見は、遺伝子機能の研究に革命をもたらしました。dsRNAによる遺伝子サイレンシングは、真核細胞でのmiRNAの処理に関与する自然発生の細胞機構を利用します。たとえば、各dsRNAはDICER酵素によって小さな断片に切断されます。これらの断片は低分子干渉RNA（siRNA）と呼ばれ、長さは約20〜25ヌクレオチドです。miRNAと同様に、siRNAはRISCに結合し、mRNAのターゲットシーケンスを切断します。

遺伝子機能を破壊するために使用できる合成dsRNAにはさまざまな種類があります。一般的に使用される分子には、DICER切断をバイパスするsiRNA、および実際には2本のユニークなsiRNAセグメントを含む1本のRNAストランドである2本鎖に折りたたまれ、隣接するヌクレオチドが加熱（アニーリング）ではなく結合される、2本のRNA鎖であるsiRNAが含まれます相補的な塩基対。これは、一端にタイトなループがあるため、ヘアピンに似た構造を作成します。細胞内では、shRNAはDICERによって2つのコンポーネントsiRNAに切断されます。

RNAiは非常に強力な研究ツールです。合成dsRNAは特定の遺伝子の発現を防ぐように設計されているため、遺伝学者は遺伝子の活動を操作してその機能をよりよく理解することができます。さらに、異常に過剰に活性化した遺伝子は特定の人間の病気の原因となり、RNAiを使用してこの活動をサイレンシングすることは重要な調査分野となっています。RNAiは、黄斑変性症、肝炎、エイズ、ハンチントン病、癌など、さまざまな疾患の治療法として検討されています。

黄斑変性症では、網膜の細胞内の血管内皮増殖因子（VEGF）と呼ばれるタンパク質の産生をブロックするRNA配列が、漏出して失明につながる網膜血管の過剰な増殖を阻害します。黄斑変性症のRNAi治療には、「裸のRNA」を眼に注入することが含まれます。ネイキッドRNAという用語は、このアプローチをウイルスベクターを使用してdsRNAを病変細胞に導入するアプローチと区別するために使用されます。ベクターに組み込まれた干渉RNAは、腫瘍の成長を遅らせる効果について研究されています。たとえば、特定の形態の癌で過剰に活性化することが知られている遺伝子のmRNA転写物は、RNAiベースの治療の有用な標的となり、過剰な遺伝子を抑制して疾患の進行を遅らせます。

干渉RNAが確実に細胞に到達することや、ウイルスベクター自体が危険な副作用を引き起こさないことなどの要因により、RNAi療法の開発が複雑化しています。さらに、遺伝子間の配列の類似性により、dsRNAが適切に機能している遺伝子に結合することがあります。これは、正常な細胞機能に不可欠な健康な遺伝子のサイレンシングを引き起こす可能性があります。それにもかかわらず、この技術は医療分野での応用が期待されています。