RNAiとは何ですか?知っておくべきことすべて

RNA 干渉 (RNAi) は、転写後遺伝子サイレンシング (PTGS) とも呼ばれ、RNA 分子が二本鎖 RNA に応答して遺伝子をサイレンシングするプロセスです。 RNA 干渉 (RNAi) は、転写後レベルで特定の遺伝子の下方制御またはサイレンシングを引き起こします。標的遺伝子とその生物学的機能に応じて、いくつかの影響を引き起こす可能性があります。この記事では、RNAi、さまざまなタイプの RNAi、その作用機序、および RNAi 治療法について説明します。

重要なポイント:

RNA干渉（RNAi）は、RNA分子が遺伝子を沈黙させ、遺伝子の下方制御またはサイレンシングを引き起こすプロセスです。

RNA、つまりリボ核酸は、遺伝子発現とタンパク質合成に不可欠です。

RNAi は発生、免疫の鍵であり、研究ツールおよび治療戦略として使用されます。

siRNA、miRNA、shRNA は RNAi メディエーターであり、それぞれ遺伝子制御において特定の役割を果たします。

RNAi テクノロジーは遺伝子発現を操作し、遺伝子機能の研究や治療への応用に役立ちます。

RNAi は、病気の制御、動物モデルの作製、その他の研究用途での可能性を秘めています。

RNAi 市場は、特に新型コロナウイルス感染症後のドラッグデリバリー技術において成長しています。

RNAの定義

RNAはリボ核酸の略で、遺伝子発現とタンパク質合成において基本的な役割を果たす一本鎖核酸分子です。 RNA の構造は、リボース糖分子とリン酸基からなる糖リン酸骨格で構成されています。糖分子には、アデニン (A)、シトシン (C)、グアニン (G)、およびウラシル (U) の 4 種類の窒素塩基が結合しています。 RNA では、DNA にあるチミンがウラシルに置き換わります。

RNA干渉とは何ですか?

遺伝子サイレンシングは、DNA メチル化、ヒストン修飾、RNAi などのさまざまなメカニズムを通じて実現できます。 RNAi は、RNA 分子を使用して遺伝子をサイレンシングまたは分解する生物学的プロセスです。これは、遺伝子発現を、通常は転写または翻訳のレベルで阻害するプロセスです。 RNAi は、mRNA の破壊、タンパク質合成の阻害、クロマチン構造の変化など、さまざまな方法で遺伝子発現を制御します。

RNAi は、1998 年に植物で初めて観察された転写後の遺伝子サイレンシングのメカニズムです。それ以来、RNAi は植物と動物の両方の幅広い生物学的プロセスにおいて役割を果たしていることが判明しています。 RNAi は、遺伝子機能と疾患の病因を研究する研究者にとって強力なツールとして登場しました。

RNAi の基礎は、標的 mRNA の相補配列に結合して遺伝子発現を抑制する二本鎖 RNA 分子である低分子干渉 RNA (siRNA) の生成です。 siRNA は、自然に生成することも、合成オリゴヌクレオチドの使用を通じて生成することもできます。

RNAi メディエーター - RNAi の種類

さまざまな形態の RNA 分子が RNA 干渉 (RNAi) を媒介し、遺伝子発現の制御において異なる役割を果たします。これらの RNA 分子はそれぞれ、転写後レベルで遺伝子発現を調節することによって RNAi 経路に寄与します。これらは、遺伝子機能、治療介入、および遺伝子調節の複雑なメカニズムを研究するための多用途のツールを提供します。

低分子干渉RNA (siRNA)

低分子干渉 RNA (siRNA) は、通常 20 ～ 25 ヌクレオチドの長さの二本鎖 RNA 分子です。これは人工的に合成されるか、酵素 Dicer による長い二本鎖 RNA の切断によって生成されます。 siRNAは、標的mRNA分子の相補配列と対を成すガイド分子として機能します。この結合は、RNA誘導サイレンシング複合体（RISC）による標的mRNAの分解を引き起こし、翻訳を妨げ、遺伝子サイレンシングを引き起こします。

マイクロRNA (miRNA)

マイクロRNA (miRNA) は、長さ約 21 ～ 23 ヌクレオチドの内因性の一本鎖 RNA 分子です。これらは特定の遺伝子から転写され、酵素によって処理されて成熟 miRNA を形成します。 miRNA は、転写後の遺伝子制御において重要な役割を果たします。これらは標的 mRNA 分子の 3' 非翻訳領域 (UTR) に結合し、標的 mRNA の翻訳抑制または分解を引き起こします。 miRNA は複数の遺伝子の発現を制御し、発生、分化、疾患経路などのさまざまな細胞プロセスに影響を与えることができます。

ショートヘアピンRNA (shRNA)

短鎖ヘアピン RNA (shRNA) は、ヘアピンループの構造を模倣した人工 RNA 分子です。遺伝子送達法を介して細胞に導入することも、ベクターから発現させることもできます。 shRNA は細胞内に入ると、細胞機構によって処理されて低分子干渉 RNA (siRNA) を形成します。これらの siRNA は標的 mRNA の分解を導き、遺伝子サイレンシングを引き起こします。 shRNA は研究用途で一般的に使用されており、長期的または安定した遺伝子ノックダウン効果を提供できます。

siRNA VS miRNA

siRNA と miRNA はどちらも RNA 干渉 (RNAi) を介した転写後の遺伝子制御に関与していますが、異なる特徴と機能を持っています。

特性	siRNA	miRNA
起源	外因的に導入または合成された	外因的に導入または合成された
構造	二本鎖RNA分子	一本鎖RNA分子
遺伝子サイレンシング	特定の遺伝子を沈黙させるように設計されている	より一般的な方法で遺伝子を沈黙させる
作用機序	mRNAに結合して翻訳を阻害する	mRNAに結合して分解する
ターゲットの特異性	オフターゲット効果が少なく、より具体的	より一般的な効果と潜在的なオフターゲット効果が発生する可能性があります

RNA干渉はどのように作用するのでしょうか?

RNA 干渉のメカニズムは複雑で、完全には理解されていません。しかし、低分子RNAがRNAiの媒介において重要な役割を果たすことが知られている。 Small RNA は、標的 mRNA の相補配列に結合し、mRNA の分解を引き起こしたり、翻訳を妨げたりすると考えられています。

RNA 干渉経路は、低分子干渉 RNA (siRNA) の生成によって開始されます。これらの siRNA は、RNA 誘導サイレンシング複合体 (RISC) にロードされ、相補的な mRNA が切断されます。これにより、mRNA が破壊されたり、タンパク質合成が阻害されたりします。

RNAi関連の遺伝子制御機構

遺伝子発現のさまざまな段階で遺伝子発現を制御できる 3 つの主なモードがあります。

転写RNA干渉

転写 RNAi は、転写レベルでの遺伝子発現のサイレンシングまたはダウンレギュレーションを指します。これには、DNA から RNA への転写を担う酵素である RNA ポリメラーゼの阻害が含まれます。転写 RNAi は、DNA メチル化、ヒストン修飾、クロマチン再構築などのいくつかの機構によって媒介されます。これらのプロセスは DNA とクロマチンの構造を変化させ、遺伝子転写の抑制につながります。転写 RNAi は、遺伝子のプロモーター領域への転写因子および RNA ポリメラーゼの結合を防止または妨害することにより、mRNA 分子の産生を効果的に減少させます。

転写後 RNA 干渉 (PTR)

転写後 RNAi は、DNA から mRNA 分子が合成された後に発生し、mRNA レベルでの遺伝子発現の制御に関与します。これは主に、特定の mRNA 分子の翻訳を分解または阻止することによって機能します。転写後 RNAi は通常、低分子干渉 RNA (siRNA) やマイクロ RNA (miRNA) などの低分子 RNA 分子によって媒介されます。これらの低分子 RNA 分子は、外因的に導入されたか、内因的に誘導されたかのいずれかで、標的 mRNA 分子上の相補配列に結合します。この結合により、mRNA の分解やタンパク質への翻訳の阻害が引き起こされ、標的遺伝子の発現が効果的に減少します。

エピジェネティック RNA 干渉

エピジェネティック RNAi は、基礎となる DNA 配列の変化を伴わない遺伝子活性の遺伝的変化であるエピジェネティックマークの制御による遺伝子発現の調節を指します。エピジェネティックマークには、DNA メチル化、ヒストン修飾、および非コード RNA が含まれます。長いノンコーディング RNA (lncRNA) などのノンコーディング RNA は、クロマチンと相互作用し、クロマチン修飾複合体を動員したり転写機構に干渉したりすることによって遺伝子発現に影響を与える可能性があります。エピジェネティック RNAi は、遺伝子発現パターンに長期的かつ遺伝的な変化をもたらす可能性があり、発生、細胞分化、疾患において重要な役割を果たします。

RNAi干渉技術

RNA 干渉 (RNAi) テクノロジーは、遺伝子発現の選択的かつ特異的なサイレンシングを可能にする強力な遺伝ツールです。 RNAi の自然な細胞プロセスを利用して、低分子 RNA を使用して遺伝子活性を制御します。 RNAi テクノロジーには、特定のメッセンジャー RNA (mRNA) 分子を標的とする合成または内在性低分子干渉 RNA (siRNA) またはマイクロ RNA (miRNA) 分子の導入または生成が含まれます。

RNA 干渉技術は分子生物学の分野に革命をもたらし、遺伝子発現を操作するための強力なツールを提供しました。遺伝子機能の研究、疾患メカニズムの理解、標的療法の開発に対する正確かつ具体的なアプローチを提供します。

RNAi アプリケーション

遺伝子機能研究

RNAi は、遺伝子機能を研究し、細胞プロセスや疾患経路における特定の遺伝子の役割を理解するために広く使用されています。標的遺伝子の発現をサイレンシングまたは下方制御することにより、研究者は結果として生じる表現型の変化を観察し、遺伝子の機能と分子機構についての洞察を得ることができます。

病気における RNAi の役割 - RNAi 治療学

RNAi は遺伝子機能を研究するための強力なツールであると同時に、幅広い疾患の治療戦略として使用できる可能性もあります。 RNAi は、アルツハイマー病、ハンチントン病、がんなどの幅広い疾患に対する有望な治療戦略です。

RNAi は、防御遺伝子の発現を促進するために使用できます。たとえば、ハンチントン遺伝子を標的とする siRNA は、ニューロンを死から守るタンパク質である脳由来神経栄養因子 (BDNF) のレベルを上昇させることが示されています。がんでは、腫瘍の増殖を促進する遺伝子を抑制するために RNAi が使用される場合があります。例えば、癌遺伝子 Bcl-2 を標的とする siRNA は、癌細胞においてアポトーシスを誘導することが示されています。 RNAi はウイルス感染症の治療法としても研究されています。ウイルスの mRNA を標的とする siRNA は、新しいウイルスの合成を防ぎ、身体が既存の感染症を除去するのを助けることができます。

機能的ゲノミクス

RNAi により、遺伝子機能の大規模スクリーニングと、特定の細胞プロセスや疾患状態に関与する新規遺伝子の同定が可能になります。ゲノムワイド RNAi スクリーニングにより、遺伝子の系統的なノックダウンと、その後の結果として得られる表現型の分析が可能になり、遺伝子ネットワーク、シグナル伝達経路、および疾患メカニズムについての貴重な洞察が得られます。

作物改良

RNAi 技術は、害虫や病気への耐性、栄養含有量の改善、収量の増加などの作物の特性を強化するために農業に応用されています。 RNAi は、害虫や病原体の特定の遺伝子を標的にすることで、それらの増殖や生存を阻害するために使用でき、従来の化学殺虫剤に代わる可能性があります。

動物モデル

RNAi は、特定の遺伝子をノックダウンした動物モデルを作成するために広く利用されており、研究者は遺伝子サイレンシングが発生、疾患の進行、表現型の特徴に及ぼす影響を研究することができます。これにより、制御された特異的な方法で遺伝子機能を研究できるようになり、さまざまな生物学的プロセスの理解に貢献します。

RNAi 対 CRISPR

RNAi と CRISPR はどちらも遺伝子サイレンシングのための強力なツールです。ただし、この 2 つには重要な違いがいくつかあります。

RNAi	CRISPR
すべての細胞で起こる自然なプロセス	細菌の自然メカニズムを応用した人工技術
可逆	不可逆
複数の遺伝子を一度に沈黙させるために使用できる	一度に 1 つの遺伝子のみをターゲットにできる
より具体的な	オフターゲット効果の可能性が高い

RNAiの未来

現在、ほとんどの研究では遺伝子機能を同定するツールとして RNAi が使用されています。 RNAi を使用できる用途はこれらだけではありません。疾病管理 (ウイルス、細菌性疾患、寄生虫、遺伝性腫瘍)、商業的関心のある動物の生産、研究用の動物モデルの生産は、RNAi が使用される他の分野のほんの一部です。その他の将来の応用例としては、薬物摂取の制御、鎮痛、睡眠の調節などが挙げられます。

2014 年から 2019 年の間に、世界の RNAi ドラッグデリバリー市場は 7% 増加し、今後 5 ～ 10 年間成長し続けると予想されています。新型コロナウイルス感染症（COVID-19）の蔓延以来、RNAiドラッグデリバリー技術の需要も高まっています。