【研究分野】生物分子化学

【研究領域課題番号】26220205 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

RNA修飾 / tRNA / リボソーム / タンパク質合成 / マススペクトロメトリー / エピトランスクリプトミクス / RNA修飾病 / tRNA, mRNA, rRNA / RNAマススペクトロメトリー / tRNA修飾 / f5C修飾 / 遺伝暗号の解読 / ht6A修飾 / ミトコンドリアタンパク質合成系 / pre-tRNA capping / N4アセチルシチジン / rRNA

【研究成果の概要】

本研究はRNA修飾が関与する生命現象を明らかとすることを目的とした。主な成果として、mRNAにおけるキャップ依存的な新規m6Aメチル化酵素の発見、酢酸イオンを基質とするRNAアセチル化酵素の発見、炭酸ガスに敏感なtRNA修飾とワールブルク効果との関係、メタボライト濃度に応じて変動するtRNA修飾、tRNA前駆体におけるキャップ修飾の発見、リボソームのアッセンブリーを司るrRNAメチル化修飾、5ホルミルシチジン修飾の生合成などが挙げられる。これらの知見はRNA修飾が担う機能的かつ生理的な役割の理解に大きく貢献するものである。

【研究の社会的意義】

本研究において、私たちは、RNA修飾が関与する生命現象の理解とその分子機構を探求している。特に、RNA修飾が欠損することがヒトの疾患の原因となることを世界で初めて示し、RNA修飾病（RNA modopathy）という疾患の新しいカテゴリーを提唱した。ヒトのミトコンドリアtRNA修飾の生合成機構を研究する過程で、tRNA修飾の欠損がミトコンドリア病の原因であることを突き止め、具体的な治療法や創薬のための基盤的知見を提供している。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2014-05-30 - 2019-03-31

【配分額】195,260千円 (直接経費: 150,200千円、間接経費: 45,060千円)

【研究分野】応用生物化学

【研究領域課題番号】23780102 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

遺伝子発現 / 翻訳 / 翻訳精度維持機構 / tRNA / リボソーム / rRNA

【研究成果の概要】

細胞内の翻訳途中脱離ペプチジルtRNAを調べるために、RNA単離技術とLC/MS解析法を確立した。その結果、様々なペプチジルtRNAの同定に成功した。各pep-tRNAを単離し詳細に解析した結果、大腸菌遺伝子にはコードされていない配列をもつpep-tRNAが見つかった。このことは誤って生成されたpep-tRNAはペプチジル転移反応以降に新規の翻訳精度維持機構によって翻訳系から排除されるといったシステムの存在を示唆するものである。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2011 - 2012

【配分額】4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)

【研究分野】構造生物化学

【研究領域課題番号】14208077 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ミトコンドリア / tRNA / 翻訳装置 / 最小必須構造 / リボソーム / rRNA / EF-G / L7 / L12蛋白質 / アミノアシルtRNA合成酵素 / X線結晶解析 / 23SrRNA / 16rRNA / 保存配列

【研究成果の概要】

本研究の目標は、翻訳過程における未解決の根本問題を、動物ミトコンドリア(mt)翻訳システムの特殊性を活用して解明することである。それは良く研究されてきた大腸菌の翻訳系をベースにして、それに特殊な動物ミトコンドリアの翻訳装置を組み合わせて行う。
(1)tRNAの最小必須構造:現存する生物の中で最短のtRNAである、線虫mtのセリンtRNA(tRNA^<Ser>_<UCU>:54残基からなり、Dアームはなく、Tアームは3塩基対と4塩基のループからなる)の高次構造をNMRによって検討し、クローバ葉型の2次構造から予測される塩基対は殆ど水溶液中でも存在すること、短縮されたDループとエクストラループからなる連結領域は柔軟な構造をとることが判った。この自由度は、3'末端とアンチコドン間の相対距離を通常のtRNAと同様に保つための調整に不可欠のものである。(2)リボソームの最小必須構造:mtリボソームは大腸菌リボソームに比べ、リボソームRNA(rRNA)が約半減している代わりに、蛋白質が倍増している。rRNAの機能部位は中央部に厳密に保存され、周辺部で欠けたrRNA領域はすべて蛋白質で補填されており、これらRNAの周辺領域に位置するステム・ループ領域がかなり削除可能であることが判明した。
(3)翻訳系のエネルギー源であるGTPの加水分解反応のtriggerは何か:EF-GのGTPase活性がリボソーム蛋白質L7/L12で活性化されることからGTPの加水分解反応のtriggerはL7/L12蛋白質であることが示唆されていたが、我々は、大腸菌EF-Gはmt・リボソームでは機能しないが、EF-GのGTPase活性化因子であるL7/L12蛋白質のみを大腸菌由来のものに置換したmt・リボソームでは機能することを見出し、GTPの加水分解反応のtriggerがL7/L12蛋白質中に存在することを突き止めた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2002 - 2003

【配分額】48,880千円 (直接経費: 37,600千円、間接経費: 11,280千円)

【研究分野】生物有機科学

【研究領域課題番号】08878083 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

リボソーム / rRNA / リボザイム / tRNA / 蛋白質合成 / RNA / ペプチジルトランスフェラーゼ

【研究成果の概要】

生命に誕生において、まずRNAのみからなるRNAワールドが原始地球上に存在し、その後このRNAワールドに蛋白質が取り込まれたするシナリオが有力なものになりつつある。しかし、この蛋白質の取り込みについての道筋に関してはなんら説得力のある仮説は提唱されていない。本研究は、このプロセスについて、現在の生物の分子機構の解明を基盤としてアプローチした。
蛋白質の合成は、現在の生物では、巨大な蛋白質-RNA複合体であるリボソームで行われるが、そのペプチド鎖形成反応を行う分子(ペプチジルトランスフェラーゼ)が、リボソーム蛋白質であるのか、リボソームRNAであるのかは、未だ不明である。1992年に、H.Noller(米)のグループは、除タンパク処理を行ったリボソームでもペプチド鎖形成反応をすることを見いだしたが、この除タンパク処理は不十分であり、RNAがペプチジルトランスフェラーゼ活性を持つという結論には到達できなかった。本研究では、まずリボソームRNAを試験管内での転写反応によって合成し、完全に蛋白質のないシステムを構築した。このシステムを用いて、様々な条件を検討した。その結果、23SリボソームRNAの構造を組み直すフォールディング処理を行い、また界面活性剤であるSDSを添加することにより、ペプチジルトランスフェラーゼ活性を発現させることに成功した。この結果は、リボソームRNAがペプチジルトランスフェラーゼそのものであることを示す最初の実験的証拠となった。また,リボソームRNAの蛋白質合成活性の発現の反応機構を詳細に検討した。その結果,リボソーム同様に二つ以上のtRNA結合部位を持つこと,またtRNAはtを適切な位置に固定することにより,自発的な反応を引き起こすことを,明らかにした。これらの研究は,RNAワールドから蛋白質合成系が誕生する過程を明らかにする上で,重要な知見となるものと期待される。

【研究種目】萌芽的研究

【研究期間】1996 - 1997

【配分額】2,200千円 (直接経費: 2,200千円)

【研究分野】生物・生体工学

【研究領域課題番号】08555200 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

リボゾーム / 生体外タンパク質合成系 / ピリジン / テンプレート重合 / 可溶性タンパク質因子 / 鋳型重合 / トランスロケーション / 抗生物質 / リボソーム / テンブレート重合 / 坑生物質 / rRNA / アミノピリジン / タンパク質合成系

【研究成果の概要】

生細胞中でのタンパク質合成反応はリポソームと呼ばれる細胞内小顆粒上で進行する。そして、リポゾーム上で合成されるポリアミノ酸すなわちタンパク質は、メッセンジャーRNA(mRNA)にコードされた遺伝情報に従って、分子量やモノマー配列といった一次構造が厳密に制御されており、その一次配列の均一性によって高機能性を発揮する。本研究では、生物由来のタンパク質合成システムを基盤として、天然に存在する20種類のアミノ酸しか使用できないという生物独自の制約に縛られない、新たなバイオシステムの創製を行う。さらに、このシステムを利用して材料工学的に興味深いにもかかわらず従来技術では生産不可能であった機能性タンパク質の合成を試みる。
具体的には、リポゾームを中心としたタンパク質合成系を、有機溶媒の一つであるピリジンと水との混合系中で再構築する。従来利用されてきた水溶液中での生体外タンパク質合成系は、リポゾームやmRNA以外に多数の可溶性タンパク質因子や化学エネルギー源であるアデノシン三リン酸(ATP)およびグアノシン三リン酸(GTP)を必要とし、モノマーであるアミノ酸をアミノアシル-tRNAの形で活性化してこの系に加えることにより、アミノ酸をmRNA特異的に重合している。これらの各成分を調製・最適化して安定な「タンパク質の生産システム」を構築することは極めて困難であり、実用化にはほど遠いのが現状である。この問題を解決する有望な手段として、我々は50-60%のピリジンを添加することにより、可溶性タンパク質因子やエネルギー源を一切必要とすることなく、アミノアシル結合のエネルギーのみで駆動する、新規な生体外タンパク質合成系の開発に成功した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】1996 - 1997

【配分額】9,400千円 (直接経費: 9,400千円)