タンパク質の合成には、主にメッセンジャーRNA（mRNA）、トランスファーRNA（tRNA）、リボソームRNA（rRNA）の3種類のRNAが関与しています。これらのRNAは多様な機能を果たしており、タンパク質をコードするRNAとノンコーディングRNAに大別されます。ノンコーディングRNAは、発生や環境の変化に応じた遺伝子発現の制御に重要な役割を果たしています。原核生物のノンコーディングRNAを操作することで、より効果的な抗菌薬をヒトや動物に投与できます。
分子生物学のセントラルドグマは、DNAにはタンパク質をコード化する情報があり、その情報をもとにRNAがタンパク質の合成を行うというものです。タンパク質の合成には、さまざまな種類のRNAが関わっています。RNAは、タンパク質をコードしているかどうかによって、タンパク質コードRNAとノンコーディングRNAに大別されます。
メッセンジャーRNA（mRNA）は、タンパク質をコードするRNAです。
メッセンジャーRNA（mRNA）は、タンパク質をコードするRNAで、特定のアミノ酸をコードする3つのヌクレオチドからなるコドンで構成されています。tRNAは、mRNAの塩基配列を読み取って、アミノ酸を正しい順序でポリペプチド鎖に配置するアダプター分子として働きます。翻訳の際、リボソームはmRNAの鎖に沿って移動し、tRNA分子の結合を安定化させ、アミノ酸間のペプチド結合形成を触媒します。このように、さまざまな種類のRNAが、タンパク質の合成において、特定の、しかし相補的な機能を果たしています。
tRNAとrRNA以外のノンコーディングRNAは、タンパク質をコードしていないため、当初は「ゲノムのがらくた」と考えられていました。しかし、過去数十年の間に、遺伝子の発現を制御する役割が発見され、現在も広く研究されています。ノンコーディングRNAは、その長さによって、低分子制御RNA (small regulatory RNA, < 100 nucleotide)と長鎖ノンコーディングRNA (long non-coding RNA, > 200 nucleotide)に分類されます。
低分子制御RNAと長鎖ノンコーディングRNAは、転写と翻訳の様々な段階を変化させることで、遺伝子の発現を制御しています。ノンコーディングRNAは、mRNAのスプライシングに影響を与え、タンパク質のノンコーディング部分を取り除き、タンパク質のコード部分を結合させます。このようにして、1つの遺伝子から異なるタンパク質が形成されるのをコントロールしています。マイクロRNA(miRNA)や低分子干渉RNA(siRNA)などの低分子制御RNAは、mRNA上の相補的な配列に結合し、翻訳タンパク質のmRNAへの接近を妨げたり、mRNA自体を分解したりして、タンパク質合成を阻害します。長鎖ノンコーディングRNAは、DNAを化学的に修飾する酵素や、DNAを核に格納するタンパク質であるヒストンと相互作用し、転写を活性化したり抑制したりします。
バクテリアでは、RNAを介した遺伝子発現の制御が広く行われています。リボスイッチと呼ばれるmRNAの制御配列は、温度や栄養レベルの変化を感知する環境センサーとして機能しています。
リボスイッチによる制御は、RNAの二次構造が互いに排他的で安定した2つのコンフォメーションを形成することによって行われます。
リボスイッチによる制御は、RNAが2つの異なる安定な二次構造をもち、環境の変化に応じてこの2つの構造が切り替わることで、遺伝子の発現をオン・オフします。例えば、リステリア菌が宿主に感染すると、宿主の体温上昇により、菌のmRNAの5＆rsquo;非翻訳領域の二次構造が破壊されます。これにより、mRNAのリボソーム結合部位が露出し、タンパク質の翻訳が開始され、細菌は宿主の体内で生きて成長できます。
リボスイッチの中には、代謝経路の最終生成物を検出し、転写や翻訳のフィードバック制御を行うものがあります。例えば、チアミンピロリン酸リボスイッチは、細菌のチアミン生合成を制御しています。十分な濃度のチアミンが合成されると、チアミンはリボスイッチに結合し、そのコンフォメーションを変化させます。この構造変化が翻訳開始点をブロックし、タンパク質合成を停止させます。
チアミンによく似た構造の化合物が、抗菌剤として研究されています。これらの薬剤は、チアミンが存在しない状態でリボスイッチと結合し、チアミンの生合成に必要なタンパク質の翻訳を阻害する構造変化を引き起こすことを目的としています。その結果、細菌はチアミンを生産することができなくなるため、成長が止まり、最終的には死に至ます。リボスイッチは、真核生物よりも原核生物に多く存在するため、リボスイッチを標的とした抗菌剤は、哺乳類への悪影響が少ないと考えられます。
