私たちの研究室では遺伝子発現における翻訳のしくみやncRNAの機能などについて研究しています

研究内容

 トランス・トランスレーションは新しく提唱されたタンパク質合成にカップルしたタンパク質分解システムである。このシステムでは300-400塩基からなる短いRNA分子(tmRNA)が主役をつとめる。我々は以前からこのRNA分子に着目してその一次構造を明らかにするとともに、その両末端からなる二次構造がtRNAの半分子と類似の構造をとることを発見した(Ushida et al., 1994)。さらに、このRNAがtRNAのように3'末端にアラニンを結合することが可能であること、またリボソーム上で機能していることを明らかにした。そして、tmRNAがtRNAとmRNAの両者の機能を合わせ持つ新しいタイプの分子であることを明らかにした(Himeno et al., 1997)。その後の研究により、これまで全く考えられていなかったシステム、即ちタンパク質合成にカップルしたタンパク質分解システムの存在が浮かび上がってきた(Muto et al., 1998)。

 まず、このRNAは部分的にtRNAに類似した構造を有し、3'末端にアラニンを結合する。そしてmRNAが何らかの原因のために終止コドンを欠いたmRNAの3'末端で翻訳が中断したとき、アラニル-tmRNAがリボソームのAサイトに入る。次にtmRNAの一部が新しいmRNAとして働くことにより中断している翻訳を再開し、C末端に11アミノ酸からなるタグペプチドを合成付加する。そしてこのタグペプチドは分解酵素のターゲットとなる

 この反応は、一つのペプチドが2種のmRNAの切り替えにより生じる新しいタイプの翻訳機構である。この反応のメカニズムをあらゆる観点から明らかにすることにより、翻訳調節ならびにタンパク質分解の分野において、数々の新しい概念をもたらすものと期待される。

 

SmpBはtRNAおよびmRNAを分子擬態する

 リボソーム中におけるtmRNAとSmpBの挙動を明らかにするために、部位特異的ヒドロキシラジカルプロービング法を用いて、SmpBとリボソームの相互作用を解析した(Kurita et al., 2007)。その結果、SmpB結合部位が、tRNA結合部位であるAサイトとPサイトに1ヶ所ずつ、合計2ヶ所存在することが明らかになった。どちらのSmpBもtRNAのアンチコドンアームに相当する位置を占めていた。興味深いことに、C末端領域(水溶液中では特定の構造をとっていない)はmRNAの通り道に沿って配置されていた。つまり、SmpBの本体はアンチコドンアームに相当し、C末端はmRNAに相当する。おそらく、2つの結合部位はそれぞれトランスロケーションの前と後のステップを反映していると考えられる。

 タンパク質であるSmpBは構造的にも機能的にもtRNAおよびmRNAを分子擬態している。具体的には、遺伝情報を持つというmRNAとしての機能、Aサイト下流にmRNAを欠いた翻訳停滞中のリボソームを認識する機能、Aサイトに入るためのtRNAの代わりとなる構造体としての機能、Pサイトに移動するためのtRNAの代わりとなる構造体としての機能、AサイトおよびPサイトにおけるコドン-アンチコドンとしての機能、tmRNA上の翻訳再開位置を決定する構造体としての機能、など実に多彩な意味合いを併せ持つ。

 tmRNAはtRNA(上半分)とmRNA(タグペプチドの後半10残基)の両方を分子擬態している。一方、SmpBはtRNA(下半分)とmRNA(タグペプチドの最初のAla)の両方を分子擬態している。これまでmRNA上にもtmRNA上にもコードされていない、とされていたタグペプチドの最初のアラニン(Ala-tmRNA由来)は、SmpBのC末端にコードされていた、ということになる。この概念は「タンパク質は遺伝情報を持っていない」というこれまでの常識を覆すものとなった。

 

トランス・トランスレーションの分子メカニズム

 さて、Aサイトに入ったpeptidyl-tmRNA/SmpB複合体は、次にP-siteに移行(トランスロケーション)し、tmRNA上のmRNAとして働くタグコード領域の最初のコドン(resume-codon)がAサイトに正確に位置し、タグ翻訳への切り換えが起きなければならない。

・  Aサイトにおいてコドン・アンチコドン相互作用がないtmRNAにとっての最初のトランスロケーションとは何なのか?本来の翻訳過程のようにEF-Gが必要なのか?

・ tmRNAもtRNAと同じようにA/T→A/A→A/P→P/P→P/E→Eという素過程を経て、リボソーム上を移動していくのか?その際、tmRNAはどのように構造を変化させていくのか?

・  翻訳切り換えの位置を決定するのはtmRNAとリボソームの相互作用か、SmpBが関与するのか?

・  PサイトとEサイトでのtmRNAとSmpBの動態と正確な位置関係は?

・  もともとあったmRNAは、どの過程でリボソームから放出されるのか?

 これらの問題を解決するために、これまで開発してきた純粋成分だけによる試験管内トランス翻訳系で反応の各ステップでの中間体を、反応因子やステップ特異的な抗生物質を用いて単離し、化学修飾法、directed hydroxy radical probing法などで各要素の結合様式・位置を決定する。またtmRNAとSmpBの各種変異体を使って各ステップの活性を測定する、等の手段を用いる。これまでの研究と合わせて、最終的にトランス翻訳の分子メカニズム全体を機能と構造の両面から明らかにする。