ストレスが人間の細胞内のRNAに与える影響

細胞はストレスに対処する方法を持っていて、それが機能や健康に影響を与えることがある。細胞がストレスに直面すると、バランスを取り戻すために遺伝子的な反応の仕方を変えることができる。人が年を取るにつれて、こうしたストレスに対する反応がうまく働かなくなることがあって、特に脳に関連する病気を引き起こすことがある。

ストレスに対する主な反応の一つは「統合ストレス応答」（ISR）と呼ばれるもので、これは細胞内の特定の因子に影響を与え、タンパク質の生成を調整するのを助ける。この因子が修正されることで、細胞がストレスを受けると新しいタンパク質の生産が遅くなる。代わりに、タンパク質を作るための指示を運ぶメッセンジャーRNA（mRNA）は「ストレス顆粒」と呼ばれる構造に閉じ込められる。この顆粒はさまざまな種類の分子を集めるが、内部のmRNAが何をしているのかはまだ完全にはわかっていない。

最近の研究では、細胞内のRNAは完全なRNAだけでなく、分解中のRNAの断片も含まれていることが示されている。しかし、ストレスが細胞内のRNAの全体的な状態にどう影響を与えるかはまだ不明だ。いくつかの研究は、ストレスがmRNAを安定化させる可能性があると示唆している一方で、他の研究では分解や崩壊を引き起こす可能性があると示している。特に、酵母の新しいタンパク質の生成を助ける特定のタンパク質は、熱ストレスを受けるとmRNAへの結合が減少し、利用可能なmRNAが少なくなることが確認されている。他のRNAに損傷を与えるストレスの種類でも同様の結果が見られている。

この研究は、特別なシーケンシング法を用いてストレス下のヒト細胞内のRNAの状態を調べることを目的としています。RNAの分解がどのように機能するかを非常に詳細に分析する新しい方法を開発しました。ストレスがRNA分子の一端を短くすることがわかり、その短縮は特定の酵素によって引き起こされることが示されました。興味深いことに、短くなったRNAはストレス顆粒に見られる傾向があります。これらの顆粒の形成を阻止するとRNAの長さが元に戻り、ストレス下でのRNAの分解においてこれらの構造が重要な役割を果たしていることを示唆しています。

#使用した方法

RNAがストレスにどのように影響されるかを評価するために、ストレスを誘発する化合物でヒト細胞を処理しました。細胞がストレスを受けていることを確認し、ストレスを受けた細胞と受けていない細胞の両方を収集してRNAを分析しました。RNAを変えずに捕まえる技術を使用し、全シーケンスを直接分析できるようにしました。この方法には、RNAシーケンスの開始部分を特定する特別な部分も含まれていました。データを処理して、各RNA分子の完全なシーケンスを正確にキャッチできるようにしました。

サンプルを処理した後、ストレスを受けた細胞はストレスを受けていない細胞と比べて平均RNA長が短くなっていることがわかりました。これはRNAの完全性に対するストレスの明確な影響を示しています。さらに分析した結果、短縮はRNAの発現量に関連しているわけではなく、ストレスの全体的な影響であることが確認されました。

特定の化学物質によるストレス誘発の影響ではないことを確認するために、異なるストレッサーを用いて実験を繰り返したところ、同様のパターンが見られました。また、熱ショックを受けた細胞のRNAデータを公開データベースで調べた結果、同様のRNAの短縮が確認され、これは特定の条件に限らない一般的なストレス応答であることが明らかになりました。

次に、特定のRNA転写産物を調べて、どれがこれらの変化を示したかを見ました。RNA長をよりよく分析するための新しい統計ツールを開発しました。このツールを用いて、ストレスの影響で大幅に短くなった転写産物を多数見つけることができました。また、これらの転写産物が関与する生物学的プロセスを調査しました。

#RNA短縮とメカニズム

分析の結果、ストレス誘発によるRNA短縮はランダムではなく、特定の転写産物が影響を受けやすいことがわかりました。RNAの特性を調べたところ、コーディング領域が短く、GC含量が低いもの-遺伝的特性の一つ-は短縮されやすいことがわかりました。従来の分解モデルでは、RNAの長さが変わる際にはまずポリ（A）テイルと呼ばれる構造が短くなることが示唆されています。しかし、私たちの結果は、ストレス条件下でポリ（A）テイルが実際には長くなることを示しており、通常の期待とは矛盾しています。

私たちは、RNAの一端を分解する特定の酵素XRN1がこの分解過程で重要な役割を果たしていると考えています。XRN1の活性を低下させたところ、RNAの長さが大幅に回復し、この酵素が観察された分解に不可欠であることを強化しました。

さらに調査した結果、RNAがストレスによって損傷を受けるときに期待される特定のマーカーの増加は見られず、これが私たちが特定したRNA短縮のメカニズムが、損傷RNAに関連する通常の経路によるものではないことを示唆しています。

#ストレス顆粒の役割

ストレス顆粒は、細胞がRNAを保護しようとする際に出現する重要な構造です。私たちの発見は、ストレス顆粒が短縮されるRNAと関連していることを示しています。これらの顆粒に豊富に存在する遺伝子を調べたところ、ストレス顆粒と関連のない遺伝子に比べて、顕著に長くなり、異なる発現レベルを持っていることがわかりました。

RNAの分解におけるストレス顆粒の必要性を確認するために、顆粒を形成できない細胞を使用しました。これらの細胞ではストレス下でRNAの長さが変わらなかったことから、ストレス顆粒の形成がストレス条件下でのRNAの分解プロセスに重要であることが示唆されます。

#翻訳とRNAの分解

細胞はストレスに応じて新しいタンパク質の生成を抑制し、回復のためのエネルギーを節約します。タンパク質生成を停止する行為は、RNAが翻訳プールから急速に退出することにつながります。この退出がRNAの分解にどのように影響を与えるかを、ストレスの下でもタンパク質生成が続く薬剤を用いてテストしました。この場合、ストレスのみの細胞と比較してRNAの長さが顕著に長くなり、分解プロセスがRNAの翻訳プールからの退出の速さに依存していることがわかりました。

また、タンパク質合成の伸長を妨げる異なる薬剤を使用した際のRNAの動態も調査しました。前の結果と同様に、この治療もストレス細胞で長いRNAの長さをもたらし、ストレス中のRNAの管理が細胞内のタンパク質生成状態に強くリンクしているというアイデアをさらに支持しました。

#結論

細胞がストレスに応じて発揮する反応は、細胞が回復できるか、プログラムされた細胞死に至るかを決定するのに重要です。私たちの研究は、ストレス下でRNAがどのように影響を受けるかを明らかにし、RNA分子が短縮される新しいプロセスを明らかにしました。このRNAの分解は、ストレス顆粒の形成に影響され、従来考えられていたポリ（A）テイルの喪失によるものではなく、特定の酵素に依存しています。

ストレスによるRNAの分解の影響を完全に理解するために、特に老化や脳に関連する病気の文脈で今後の研究が必要です。この発見は、細胞のストレス反応と健康への影響をターゲットにした新しい治療戦略の道を切り開くかもしれません。