Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

リボソーム / 翻訳制御 / 品質管理 / 遺伝暗号 / 分子擬態 / tRNA分子擬態 / 翻訳終結

タンパク質合成におけるmRNA遺伝暗号解読には、センスコドンに対するアダプター分子である核酸分子tRNAに加え、翻訳終結コドンの解読や、異常mRNA翻訳中に停滞したリボソームの救済に関わるtRNA擬態タンパク質群が存在している。本研究では、真核細胞とバクテリア双方のtRNA擬態タンパク質の比較解析も平行して行い、真核細胞におけるmRNAシステムにおける、tRNAと協調して機能する伸長因子EF1AのホモログでもあるGTP結合タンパク質Ski7の機能性を実証するとともに、真核生物ではこれまで報告されていなかった解離因子(eRF1/eRF3)が関わるリボソーム救済機構を見いだす事に成功した。

mRNAからのタンパク質合成の高次機能発現制御機構の解明は、生命に普遍的な分子機構の理解のみならず、新規機能性タンパク質の人工合成方法の開発や癌をはじめとする多くの遺伝疾患の発症機構の解明や創薬・治療方法の開発に必須な知見となる。本研究成果は、細胞内におけるタンパク質合成におけるリボソームの翻訳反応に関わりその高次機能発現への拡張を可能にするtRNA擬態タンパク質による高次機能発現機構の分子メカニズムの解明により、その医工学的応用研究への手がかりを与えた。

翻訳終結 / リボソーム / tRNA / 分子擬態 / ペプチド鎖解離因子 / 遺伝暗号解読 / タンパク質合成 / ペプチド鎖解離因

我々はtRNA擬態分子である真核生物(古細菌)解離因子による終止コドンの解読制御機構を明らかにするために、古細菌由来因子による単体・複合体結晶構造に基づく分子機構解明を行った。その結果、古細菌の翻訳系では、伸長因子aEF1αがtRNAに加え、解離因子aRF1および古細菌Pelotaと結合機能する新事実を明らかにした。この知見は全ての遺伝暗号解読段階においてGTP結合因子のリボソーム上での普遍的な作用機構を示唆する。

タンパク質合成 / 翻訳終結 / 終止コドン / ペプチド鎖解離因子 / 分子擬態 / tRNA / リボゾーム / 高度好熱菌 / ペプチド鎖解難因子 / tRMA / リボソーム / テトラヒメナ / 遺伝子発現の転写後調節

タンパク質合成(翻訳)の終結機構の研究は、2つの点で重要である。第1に、遺伝暗号の解読機構は1970年前にその基本機構が完全に解明されたと理解されているが、その認識は誤りである。翻訳終結については、(1)終止コドンの認識、(2)23S rRNAのリボザイムによるペプチド鎖の切断、(3)リボソーム複合体の最終解離、等の基本的な問題が分子レベルで未解決である。第2に、終止コドンは翻訳の停止信号とならない事例が生物種を問わず数多く発見されている。フレームシフトやアミノ酸の読み替え等、暗号解読の普遍則から外れた翻訳現象が、リコーディング機構と命名されて、翻訳研究のフロンティアとなっている。終止コドンで翻訳を、「止めるべきが、止めざるべきが」、それが問題となるようになってきたのである。さらに、翻訳終結の効率を調節することによる遺伝子発現の制御システムの存在も明かになってきた。このような理由がら、「終止コドンの認識→プペチド鎖切断→リポソーム複合体の解離」に至る翻訳終結の基本的な分子機構に関する研究を、大腸菌および酵母のモデル系で優先的に実施する必要性から、本研究を行った。終止コドン認識に関する研究のブレークスルーは、翻訳調節に働く一群のタンパク質が、核酸であるtRNAの構造とそっくり、という「分子擬態」の発見である。我々は、終結に働く解離因子がアンチコドンをも擬態し終止コドンを認識すると考え、分子擬態(molecular mimicry)仮説を提出した。タンパク質とRNAの分子擬態は、生物学にとって新しい概念であり、生命がRNAワールドがらタンパク質(DNA)ワールドへと進化してきたことを考えれば、生命の根幹に係わる基本的な原理のひとつと考えられる。この研究は、基礎生物学に役立つのみならず、バイオテクノロジーに新たな技術を生み出すチャレンジともいえる。現在、分子擬態の基盤原理の解明とともに、タンパク質による遺伝暗号の解読という新しい領域を確立する方向へ研究を進めている。

分子擬態 / 翻訳終結 / ペプチド鎖解離因子 / GTP結合性タンパク質 / リボソーム

すでに様々なG蛋白質で機能的役割が明らかにされているGドメインの保存アミノ酸配列に変異を導入した。これらのGドメイン機能の欠損が著しいことが予想される変異RF-3はin vivoにおいて発現を誘導すると優勢致死性を示した。RF-3においては他の翻訳伸長因子同様にGTPの加水分解によるGTP->GDPの変換過程が翻訳終結のモード変換に関わるものと考えられる。また、翻訳終結触媒活性を指標とし機能強化型RF-3変異(sra変異)の分離を行いRF-3機能ドメインの検索・解析を行った。sra変異はすべての終止コドンにおける翻訳終結反応を促進する。また、これらの変異はRF-3のアミノ酸配列上の2つの領域に集中して分離され、この領域がRF-3の翻訳終結反応に関わる重要な機能ドメインを形成していることが考えられる。また、GTP結合性翻訳伸長因子との比較解析を行うことにより、RF-3がこれらの翻訳伸長因子に類似する性質を持つものであることが明らかになってきた。
GTP結合性翻訳伸長因子ホモログであるRF-3(真核ではeRF-3)の解析を通じて我々は、全ての生物において、終止コドンの情報の解読機構が機能的・構造的にtRNAに擬態した解離因子とRF-3などの翻訳伸長因子ホモログタンパク質により、センスコドンに対するrRNAと同様な分子的基盤によって行われるという新たな仮説、「RF-tRNA mimicry仮説」を提唱しこれを公表した。

【研究分担者】
ISAKSSON Lei	ストックホルム大学	微生物学部	教授
BUCKINGHAM R	フランス生物物理化学研究所	部長
TATE Warren	オタゴ大学	生化学部	教授
梶昭	ペンシルバニア大学	医学部	教授
YANOFSKY Cha	スタンフォード大学	生物科学部	教授
YONOFSKY Cha	スタンフォード大学	生物科学部	教授
TANOFSKY Cha	スタンフォード大学	生物科学部門	教授
伊藤耕一	東京大学	医科学研究所	助手	(Kakenデータベース)