京橋のバイオインフォマティシャンの日常

南国のビーチパラソルの下で、Rプログラムを打ってる日常を求めて、、

最も重要な ribosomal RNA(rRNA)の1つである『16S rRNA』の生命科学的な話

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リボソームは、細胞内のタンパク質の合成装置である

まず、リボソーム(ribosome)について概説します。

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リボソームでは、mRNAの情報を読み取り、tRNAに結びついたアミノ酸から所定のタンパク質を合成する。(出典元

細胞の核内で、DNAの二重螺旋構造が部分的にほどけて、一本鎖のDNAが剥き出しになると、 そこに、RNAポリメラーゼが結合して、そのDNA鎖に相補的なRNA鎖が合成される。 このRNA鎖が、遺伝情報の運び屋であるmRNA(メッセンジャーRNA、伝令RNA)として働き、 細胞外に移行して、細胞質にあるリボソームへと送られる。

リボソームでは、mRNAの塩基配列が解読されて、 tRNA(トランスファーRNA、転移RNA)によって運ばれてくる、 アミノ酸(タンパク質の材料となる)を塩基配列に対応する順番にペプチド結合させ、 タンパク質(ポリペプチド)を合成していく。

これらの過程において、 DNAの一部の遺伝情報を使ってRNAを合成することを「転写」といい、 RNAの配列を基にタンパク質を生合成することを「翻訳」と呼ぶ。

リボソーマルRNA(rRNA)

rRNAとは、タンパク合成の場である、リボソームを構成するRNAである。 rRNAは、RNAのうちで、生体内でもっとも多く存在する(約 70-80 %)。

原核生物では、リボソームの大サブユニット(50Sサブユニット )に23Sと5SのrRNAが含まれ、 また小サブユニット(30Sサブユニット)に16S rRNAが含まれる。 それぞれのSは、沈降係数(Sedimentation coefficient)に由来し、つまりは高分子の下降速度を反映した指標(タンパク質の大きさと相関がある)である。 これらrRNAをコードするのが、rRNA遺伝子 (rDNA) である。

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rDNA遺伝子群の模式図(出典元

16S rRNA とは??

16S rRNAは、原核生物のリボソーム小サブユニット(30Sサブユニット)を構成するrRNAであり、 すべての原核生物のタンパク質の合成に必要である。 16S rRNA遺伝子は、rRNAをコードする遺伝子(rDNA)であり、すべての細菌のゲノム中に存在する。 16S rRNAは高度に保存された特異的な配列であり、その配列の長さは約 1500 塩基である。

一般的に、16S rRNA遺伝子領域の進化速度が遅いことから、系統樹の復元に利用される。 つまりは、16S rRNA遺伝子配列の差異情報を利用して、細菌などの生物種の同定が行われる

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Thermus thermophilus由来30S Subunitの分子構造。タンパク質は青色、一本鎖RNAはオレンジ色で示す。(出典元

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様々な種のrRNA(出典元

16S rRNAの特徴

原核生物(細菌を含む)の16S rRNAには、以下のような特徴がある。

  • ゲノム中に複数のコピーが存在: 1つの細菌に、5〜10コピーの16S rRNA遺伝子が存在する。

  • 可変領域と保存領域: 16S rRNA遺伝子の塩基配列は、可変領域(Variable regions)と保存領域(Constant region)から構成される。保存領域は全ての細菌に共通で、可変領域は細菌の属や種で特異性で、細菌それぞれを分類する程度の差がある。また、可変領域と保存領域は交錯して存在する。したがって、保存領域を利用してユニバーサルプライマーを設計できる。また、可変領域を利用することで、特定の細菌・微生物の特異的プライマーを設計することができる。

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最もよく配列決定されている可変領域の1つである、V3-V4領域(約 469 塩基)を利用したプライマー設計の模式図(出典元

  • 中程度の配列長: 16S rRNA遺伝子の長さは約1500塩基で、約50の機能ドメインが含まれる。

  • 16S rRNAの機能: (1)リボソームタンパク質を固定化し、足場として機能する。(2)3'末端にはreverse SD配列があり、mRNAのAUG開始コドンに結合するために使われる。16S rRNA の 3'末端と S1、S21 の組み合わせは、タンパク質合成の開始に関係する。(3)23S rRNAと相互作用して、リボソームサブユニット間の統合を助ける。

16S rRNA 遺伝子検出と次世代シーケンスの利用

16S rRNA 遺伝子の配列には、 高度に保存された塩基配列(保存領域、プライマー結合部位)に加えて、 細菌の同定に有用な種特異的配列(可変領域)が含まれている。

当初、16S rRNAの配列情報は、細菌の同定に主に使用されていたが、 その後、細菌をまったく新しい種、あるいは属に再分類できることも分かった。 また現在では、これまで培養に成功していない新種の発見や論拠にも利用される。

16S rRNA遺伝子の検出技術は、病原体の検出と同定のための強力なツールとなっている。 遺伝子検出技術に加えて、データベースとの照合により、病原体の分類、同定、検出を迅速、正確、かつ確実に行うことができる。

遺伝子検出の主なステップとしては、(1)細菌・微生物からのゲノムDNAの取得、(2)16S rRNA遺伝子の可変領域断片の取得、(3)取得された遺伝子断片の塩基配列解析が行われる。

さらに次世代シーケンスの登場によって、より安価かつ簡便に多くの配列決定が可能となり、 何千もの16S rRNAシーケンスを同時に特定できるため、 例えば、腸内フローラなどのメタゲノム研究にも応用可能となっている。

まとめ

リボソームを構成するrRNAは、すべての生物の生存に不可欠なものである。

16S rRNAは、細菌や他の微生物の進化の過程で高度に保存され、「分子の化石」とも呼ばれる。 それと同時に、その保存性は相対的なものであり、保存領域間に存在する領域には、9〜10個の変異領域(V1〜V10)が存在する。これらの遺伝子情報は、細菌の科、属、種を同定・分類するのに十分な程度の違いが認められる。

16S rRNAは細菌・微生物の分類のためのマーカーであると同時に、病原体の検出・同定のための標的分子としても利用できる。

参考資料

www.cd-genomics.com

en.wikipedia.org