リボザイムは、化学反応を触媒するRNA分子である。 ほとんどの生物学的過程は自然発生的に起こるものではない。 例えば、分子を2つに切断したり、2つの分子をつなげて1つの大きな分子にするためには、触媒、つまり、反応を速くする補助分子が必要です。 生物学的触媒の大部分は、酵素と呼ばれるタンパク質である。 しかし、1980年頃、トム・セックとシドニー・アルトマンの研究グループは、一部の生体触媒がRNAでできていることを独自に発見した。
構造と機能
リボザイムと呼ばれる RNA 触媒は、真核生物の核、ミトコンドリア、および葉緑体に存在しています。 いくつかの細菌ウイルスを含むウイルスにもリボザイムが存在する。 これまでに発見されたリボザイムは、化学的なタイプによって分類されるが、いずれの場合もRNAはマグネシウム（Mg2+）やカリウム（K+）などの金属イオンと結合し、触媒作用の際に重要な役割を担っている。 ほとんどのリボザイムは、RNAの処理に関与している。 リボザイムは、前駆体RNA鎖（新しいRNA鎖の基となる鎖）を切断する分子ハサミとして、あるいは2つのRNA分子を結合する「分子ステープラー」として働く。 リボザイムの標的のほとんどはRNAであるが、翻訳中にリボソームで起こるアミノ酸のタンパク質への結合もRNAによって触媒されていることが、現在非常に有力な証拠となっている。
リボザイムが触媒する反応の中には、RNAの切断と結合の過程が連動しているものがある。 この場合、RNA鎖は2箇所で切断され、真ん中の部分（イントロンと呼ばれる）は捨てられ、両脇のRNAの部分（エクソンと呼ばれる）が結紮される。 この反応をスプライシングと呼ぶ。 リボザイムを介したRNA単独のスプライシングの他に、RNAとタンパク質の複合体を介したスプライシング反応もある。 この複合体はsmall nucleus ribonucleoprotein particlesと呼ばれ、snRNPと略記される。 この種のスプライシングは、ヒトのような「高等」真核生物におけるメッセンジャーRNA（mRNA）処理において非常に一般的な機能である。 snRNPを介したスプライシングが、RNA成分によって触媒されるかどうかはまだわかっていない。
いくつかの前駆体RNA分子には、自身のイントロンにリボザイムが組み込まれており、このリボザイムが、それが存在するイントロンの除去を担っているものもあります。 これらは自己スプライシングRNAと呼ばれる。 スプライシング反応終了後、リボザイムを含むイントロンは分解される。 このように、リボザイムは、繰り返し反応を行うタンパク質酵素とは異なり、一回しか働かない。
肝炎デルタウイルスなどの一部のRNAウイルスも、リボザイムを遺伝子の一部として持っている。 肝炎デルタウイルスなどの一部のRNAウイルスも、リボザイムをRNA分子の一部として持っている。ウイルスRNAが複製される過程で、RNAゲノム（ウイルスの遺伝情報）の繰り返しを含む長い鎖が合成される。 リボザイムは、この長い多量体分子を切断して、ゲノムのコピーを1つ含む断片にし、そのRNA断片をウイルス粒子にはめ込む。
他のリボザイムは、他のRNA分子に作用する。 このタイプのリボザイムにはRNase Pがあり、1本のRNA鎖と1個以上のタンパク質（生物によって異なる）から構成されている。 RNase Pの触媒機構は、特に細菌でよく研究されている。 このリボザイムは、前駆体のトランスファーRNA（tRNA）の5-プライム末端から伸長部分を取り除き、「成熟型」tRNAの5-プライム末端を作る。（RNA分子の両末端は化学的に異なり、末端ヌクレオチドの糖部分の特定の炭素を指して、5-プライムと3-プライムと呼ばれる）。 バクテリアのRNase PのRNA分子をタンパク質から分離して精製すると、非常に遅い速度ではあるが、前駆体のtRNA標的を切断することができ、RNAが触媒であることが証明される。
「RNA の世界」の関連性
多くの生物学者は、リボザイムは、タンパク質が進化する以前の、古く生物界に存在した痕跡であると仮定しています。 この「RNA の世界」では、RNA は、RNA 分子の複製、切断、ライゲーションなどの機能の触媒であった。 その後、タンパク質が進化し、それまでRNA分子が担っていた機能を引き継いだと考えられている。
現代では、前駆体tRNAの処理のほとんどは、前述のリボザイムRNase Pが行っているが、葉緑体の中には、この機能をRNAを含まないらしいタンパク質が行っているものがある。 リボザイムに代わるタンパク質酵素の進化の一例かもしれない。
リボザイムの精緻な研究により、リボザイムがどのように標的を認識するかという規則が得られている。
リボザイムの徹底的な研究により、リボザイムがどのように標的を認識するかという規則が明らかになり、この規則に基づいて、通常はリボザイムによる切断の対象とならないRNA分子の新しい標的を認識し切断するようにリボザイムを変化させることが可能になったのです。 これらの結果は、リボザイムをヒトの治療に利用するエキサイティングな可能性をもたらす。 例えば、エイズの原因となるHIVのような病気の原因となるRNA分子の量を、人工リボザイムで減らすことができるかもしれない。 このようなリボザイムは、モデル細胞での実験にかなりの成功を収めている。
進化、分子、タンパク質、RNA、RNA処理もご覧ください。
ライズ・リンダール
書誌事項
Cech, T. R. “RNA as an Enzyme.” (酵素としてのRNA)。 Scientific American 255 (1986): 64-75.
Karp, Gerald. Cell and Molecular Biology, 3rd ed. New York: ジョン・ワイリー & Sons, 2002.
& Sons, 2002.