真核生物のRNAガイド・エンドヌクレアーゼは、シアノバクテリア酵素のユニークなクレイドから進化した : crisp

[出典] "Eukaryotic RNA-guided endonucleases evolved from a unique clade of bacterial enzymes" Yoon PH, Skopintsev P, Shi H [..] Doudna JA. (bioRxiv 2023-08-10) Nucleic Acids Res. 2023-11-16. https://doi.org/10.1093/nar/gkad1053 [著者所属] UC Berkeley, UCLA, Gladstone Institutes, HHMIなど

　RNAガイド・エンドヌクレアーゼは、適応免疫、トランスポジション、ゲノム編集など、多様な生物学的プロセスや技術の核心を形成している。これらの酵素のいくつかは、IS200/IS605およびIS607トランスポゾンファミリーの挿入配列 (insertion sequence: IS) の構成要素である。両ISファミリーはいずれもTnpAトランスポザーゼとTnpBヌクレアーゼをコードしており、TnpBは、タイプV CRISPRヌクレアーゼCas12の祖先とされている。

　TnpBはright end element RNA（reRNA）またはωRNAと呼ばれるガイドRNAを用いて、塩基配列に相補的なDNA分子を切断するが、CRISPR-Cas12とは異なり、TnpBファミリータンパク質は原核生物とそのウイルス以外にも広がっている。TnpBは、後生動物、真菌類、原生生物などの真核生物や、巨大核質DNAウイルス（NCLDV）として知られる巨大真核生物ウイルスに見られるFanzorタンパク質と、配列および構造上の相同性を共有している。Fanzorは、原核生物のTnpBと同様に、非原核生物のIS607エレメントを含む広範なトランスポゾンファミリーを包含するトランスポゾンエレメント (TE) 内に存在する。TnpBsとFanzorsの生物学的機能は活発に研究されている分野であるが、これらのファミリーの代表的なタンパク質はRNAガイドDNAエンドヌクレアーゼであることが示されている。

　遺伝子の水平転移（HGT）は、原核生物の進化において重要な役割を果たしていることが知られていたが、近年、HGTが真核生物の進化にも大きな影響を与えていることを示す証拠が増えてきている。注目すべきは、原核生物から真核生物へのHGTの中に、これまで、原核生物のIS様配列が真核生物のゲノムにはほとんど見られないことである。それにもかかわらず、IS607エレメントは、多様な真核生物ウイルスに、そして真核生物ゲノムにも散発的であるが分布するようになった、水平移動したTEの稀な例である。このように、IS607エレメントは、原核生物のISの特徴や、生命の樹全体で保存された機能を促進するその構成要素を評価するユニークな機会を提供する。

原核生物のTnpBと真核生物のFanzorsの進化的関係の解析から、主にシアノバクテリウムに見られる特異な活性部位配置を持つIS607 TnpBのクレードが、真核生物におけるFanzors (Fanzor1と
Fanzor2) を生み出した可能性が高いことを明らかにした。
さらに、真核生物に見られる2種類のFanzorタンパク質の共通祖先 (進化的中間体)を発見した。
バクテリアのIS607 TnpB ISXfa1の機能解析を介して、そのロバストなRNAガイドDNA切断活性と、IS607 TnpBとトランスポザーゼの共進化についての洞察を与える特徴も明らかにした。
本研究で実験的に同定されたIS607 TnpBsのガイドRNAとFanzorsのガイドRNAが、二次構造の特徴を共有していることが明らかになり、TnpBsとFazorsの進化的関係性を示すエビデンスが増えた。

　Fanzorsが真核生物に広く分布していることから、この特殊なIS607 TnpB群の特性が、真核生物とそのウイルスにおける適応と進化に特に適していたことが示唆される。

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