Position-resolved k-mer analysis of mature microRNAs reveal widespread CG and UA depletion across taxa

あらゆる生命細胞の内部では、膨大な数の微小な分子による指示のネットワークが、生命の仕組みを円滑に動かし続けている。これらの指示の中でも特に重要なものの一つが、マイクロRNAと呼ばれる短いRNAの鎖である。これらの分子は精密な調節因子として機能し、他の遺伝的メッセージの中にある特定の合致する配列を見つけ出し、それらを沈黙させることで、細胞が適切な時に適切なタンパク質を生成することを確実にしている。マイクロRNAが機能するためには、その形状と化学的組成が正確でなければならない。科学者たちは、マイクロRNAの配列の最初の数文字が極めて重要であり、プロセスを開始するための特定の鍵と鍵穴のように機能していることを古くから知っていた。しかし、その分子の残りの部分、つまり最初の数文字に続く文字を支配するルールについては、長らく謎のままであった。これらの微小な鎖の中で隣り合う文字は、隠れたパターンに従っているのだろうか、それともランダムに配置されているのだろうか。

インドのバラティダス大学の研究チームは、この疑問に答えるために、これら微小な分子の全景をマッピングした。彼らは単に少数の例を見たのではない。むしろ、ヒトや他の哺乳類から昆虫、魚、植物に至るまで、271種類の異なる生物種から得られた、約49,000件の成熟マイクロRNAの記録を調査したのである。この膨大なコレクションを分析することで、彼らは、これらの分子における文字の配置が決してランダムではないことを発見した。そこには、これらの短い遺伝的鎖がどのように構築されるかを支配する、広く普及した一貫したルールが存在しており、そのルールは生命の系統樹全体を通じて成立しているのである。

研究者たちは、特定の文字のペアがどの程度の頻度で隣り合って現れるかに焦点を当てた。遺伝学の言葉では、これらのペアはジヌクレオチドと呼ばれる。彼らが研究した数百万の配列にわたってあらゆる可能なペアを数えたところ、二つの特定のペアがその欠如において際立っていた。「C」と「G」の組み合わせ、および「U」と「A」の組み合わせは、偶然予測されるよりもはるかに少ない頻度で出現した。実際、「C-G」のペアは16種類あるすべての可能な組み合わせの中で最も稀であり、全体のわずか約3.3パーセントを占めるに過ぎなかった。「U-A」のペアは二番目に稀であった。逆に、「U-G」のペアは最も一般的であり、予想よりも著しく多く出現した。

これらの発見が単なる数字の結果ではないことを確実にするため、科学者たちは厳密な比較手法を用いた。彼らは二つの異なる「もしも」のシナリオを作成した。第一のシナリオでは、全く同じマイクロRNA配列を用い、各文字の総数は維持したまま、文字の順序を入れ替えて自然な秩序を破壊した。第二のシナリオでは、同じ長さの全配列にわたって、各特定のポジションにおける文字をシャッフルした。これらのシャッフルされたランダムなバージョンと比較した場合でも、実際のマイクロRNAは依然として明確な「C-G」および「U-A」ペアの不足を示した。これにより、これらのペアの希少性は、単に存在する文字の数による副作用ではなく、分子の真の特徴であることが証明された。

この希少性のパターンは、二文字のペアだけに限定されなかった。研究者たちは、トリヌクレオチドとして知られる三文字のグループについても調査した。その結果、「C-G」または「U-A」のペアを含むすべての組み合わせが減少しており、ランダムモデルが予測するよりも頻度が低いことが判明した。このことは、これらの特定の隣接関係に対するルールが、マイクロRNAの特定の場所だけでなく、全長のどこにおいても適用されることを示唆している。この減少は、開花植物から線虫、そしてヒトに至るまで、彼らがテストした主要な10の生物群すべてにおいて一貫していた。生物が植物であれ動物であれ、マイクロRNAは一貫して「C」を「G」の隣に、「U」を「A」の隣に置くことを避けていたのである。

詳細な検討を要する興味深い例外が一つあった。全体としては「U-A」のペアは稀であるが、研究者たちはマイクロRNA配列の非常に早い段階で、その頻度に小さなスパイク（急増）があることに気づいた。第1ポジションにおいて、「U-A」のペアは分子の他の部分よりも頻繁に出現していた。しかし、マイクロRNAの最初の文字がほぼ常に「U」であることを考慮に入れると、このスパイクは消失した。結局のところ、マイクロRNAの始まりにおける「U-A」ペアの多さは、単に始まりにおいて「U」があまりにも多く存在していたことによるものであり、分子が「U」の直後に「A」を配置することに対して特別な嗜好を持っていたわけではなかった。この初期の組成を考慮に入れた後、 「U-A」のペアは、「C-G」のペアと同様に、あらゆる場所で減少していることが分かった。

この研究は、なぜこのようなパターンが存在するのかについても探求した。欠落している「C-G」ペアについては、DNA変異の歴史に妥当な説明がある。多くの動物において、文字「C」は、進化の過程で「T」（RNAでは「U」）へと変化しやすいように化学的に修飾されることが多い。もしDNAにおける「C-G」ペアが「U-G」ペアへと変異すれば、結果として得られるRNAは当然ながら「C-G」ペアが少なく、「U-G」ペアが多くなる。これは、研究者の観察、すなわち「U-G」が最も一般的であり「C-G」が最も稀であるという事実と一致している。しかし、論文はこの点はあくまで一つの仮説であると述べている。この研究はDNAメチル化や変異率を直接測定したわけではないため、これは確実な原因ではなく、有力な可能性の一つに留まっている。

一方で、「U-A」のペアの希少性の理由は、完全な謎のままである。研究者たちは、これら二つの文字がなぜ互いに避けるのかを説明する生物学的メカニズムを見つけることができなかった。分子自体の構造、細胞内でのプロセシングの方法、あるいはターゲットとの相互作用の仕方が、「U-A」の組み合わせを不安定、あるいは望ましくないものにしている可能性がある。研究は、この減少が存在し、かつ普遍的であることを特定することには成功したが、その理由の説明には至っていない。

文字がどのように配置されているかの詳細なマップを作成することにより、研究者たちはマイクロRNA生物学を理解するための新たな基礎を提供した。彼らは、これらの分子が単なるランダムな文字の羅列ではなく、何百万年もの進化を経て維持されてきた、特定の保存されたアーキテクチャ（構造）を持って構築されていることを示した。このアーキテクチャの全容はまだ解明されていないが、マイクロRNAが特定の文字の組み合わせを一様に避けているという発見は、これら極めて重要な分子がいかに機能し、進化するかを理解しようとしている科学者たちにとって、新たな手がかりを提供している。この研究は、生命のルールが個々の文字だけでなく、それらの文字がどのように隣り合うことが許されているかという、特定の配置方法によっても書き込まれていることを示唆している。