RNA合成酵素の特異性を分子レベルで解明

研究の経緯

　細胞内のmRNAは通常、DNAから転写された後、その末端に数十から数百のアデニンヌクレオチド（ポリA配列）が、ポリA付加酵素と呼ばれる鋳型非依存性RNA合成酵素によってDNA上の配列とは無関係に付加されます。mRNAのポリA配列は、RNAの安定性や翻訳などにかかわっており、遺伝子発現に重要な役割を果たしていますが、ポリA付加酵素の基質に対する特異性についての分子レベルでのメカニズムは不明でした。

研究の内容

　真正細菌のポリA付加酵素のアミノ酸配列は、tRNAの末端に普遍的に存在するCCA（シチジン−シチジン−アデノシン）配列を鋳型非依存的に合成するCCA付加酵素とよく似ており、アミノ酸配列のみからでは活性を予測することは困難です。今回、真正細菌のポリA付加酵素の特異性をもたらす分子レベルでの仕組みや分子レベルでのCCA付加酵素の特異性との違いを明らかにすることを目的として、エックス線結晶構造解析および生化学的解析を行いました。

　今回のエックス線結晶構造解析および生化学的解析から、以下のことが明らかになりました。

　1）ポリA付加酵素の全体構造は、ヘッド、ネック、ボディー、レッグの4つのドメインからなるラッコのような構造をとっており、タツノオトシゴのようなCCA付加酵素の構造とは異なっていました（図1 左、中央）。

　2）ポリA付加酵素の活性触媒部位やヌクレオチド結合部位を含むヘッド、ネックドメイン構造は、CCA付加酵素のそれらの構造ととてもよく似ていました（図1 右）。

　3）ポリA付加酵素は、ネックドメインに存在する固いポケット内で、一つの水素結合によってATPを認識しており、そのポケットの形と大きさはATPのみに適したものでした（図2 左）。

　4）CCA付加酵素の塩基認識にかかわるアミノ酸は、ポリA付加酵素とは異なり、分子内水素結合を形成せずフレキシブルな構造をとっており、そのためCTPもATPも同時に認識できます（図2 右）。

　これらの解析から、長年不明であった、分子レベルでのポリA付加酵素とCCA付加酵素との特異性の差異が明らかになりました。

図1　真正細菌ポリA付加酵素の構造（左）とCCA付加酵素の構造（中央）、ポリA付加酵素（赤）とCCA付加酵素（青）の重ね合わせ（右）

図2　ポリA付加酵素（左）とCCA付加酵素（右）のヌクレオチド認識の違い

今後の予定

　近年、生体内には多種多様な鋳型非依存性RNA合成酵素が存在し、生体内でのRNAの代謝に深くかかわっていることが報告されてきています。今後、多種多様な遺伝子発現に関与する他の種類の鋳型非依存性RNA合成酵素についても詳細な分子レベルでの反応のメカニズムや遺伝子発現制御における役割の解明を目指します。