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発表・掲載日:2011/11/23

リボソームに翻訳以外の機能があることを発見

-リボヌクレアーゼT2の阻害-

ポイント

  • リボソーム(16S rRNA)に翻訳以外の機能があることを発見
  • リボヌクレアーゼT2による細胞内の自己RNAの分解を16S rRNAが阻害
  • リボソームが持つ生理的に重要な機能の解明につながることに期待

概要

 独立行政法人 産業技術総合研究所【理事長 野間口 有】(以下「産総研」という)生物プロセス研究部門【研究部門長 鎌形 洋一】酵素開発研究グループ 宮崎 健太郎 研究グループ長らは、生体内で遺伝情報をもとにタンパク質を合成する「翻訳」機能を担うリボソームがRNA分解酵素であるリボヌクレアーゼ(RNase)の活性を阻害する機能を持つことを発見した。

 リボソームは、DNAからRNAに「転写」された遺伝情報をタンパク質へと「翻訳」する役割を担う。一方、RNase T2は、RNAを分解する酵素であり、細胞外RNAの侵入阻止や栄養の取り込みなどに関わっている。大腸菌ではRNase T2は細胞内膜の外側にあるペリプラズム層に存在しており、細胞内のRNAとは隔絶されているが、培養定常期やストレス下ではRNase T2が細胞内に流入し、自己のRNAが分解される恐れがある。このため、細胞内にはRNase T2からRNAを守る仕組みが必要であるが、この仕組みが不明であった。

 RNase T2を大腸菌から精製すると、リボソームと結合した不活性体として単離されることが以前から知られていた。しかし、複合体形成の生理的意義や翻訳機能との関わり、相互作用の様式などについては不明であった。今回、われわれは、16S rRNA変異解析を通じ、相互作用・阻害の決定部位がリボソーム30Sサブユニット中の16S rRNAに存在することと、RNase T2と結合することで細胞内の自己RNAの分解を防ぐことを発見した。

 この成果は、2011年11月23日(日本時間)にNature Communications誌にオンライン掲載される。

リボソーム30Sサブユニットの立体構造の図
図1 リボソーム30Sサブユニットの立体構造
緑色の部分が16S rRNA、赤色部分はRNase T2と相互作用する16S rRNAのうちのhelix41領域。白色部分はリボソームタンパク質

開発の社会的背景

 リボソームは全生物に存在する細胞小器官であり、「翻訳」という重要な生体機能を担っている。リボソームの機能は多くの生物で共通である一方、細菌とヒトではリボソームの構造が異なるため、細菌リボソームに選択的な阻害剤は、ヒトに対する毒性の低い感染症治療薬となる可能性がある。このような治療薬の開発が期待されている。こうした阻害剤の開発には、リボソームの機能についての詳細な解析が必要である。

研究の経緯

 産総研では、新規微生物やそれに含まれる有用酵素の探索と利用など、微生物に関する研究を幅広く行っている。最近は、大腸菌をプラットフォームとしたリボソームの解析・改変を通じて細胞機能の理解と利用を進めている。

 大腸菌のRNase T2を精製すると、RNase T2の生理的な役割とは無関係と思われるリボソームに結合した形で分離される。しかし、リボソームとRNase T2との結合を生じさせる相互作用の生理的意味やRNase T2の阻害様式などの詳細な分子機構については不明であった。今回、リボソーム機能解析の一環として、長年の間未解決となっていた「RNase T2-リボソーム相互作用」の実態解明を行った。

研究の内容

 RNase T2とリボソームの複合体形成のメカニズム、生理的意義を解明するために、大腸菌リボソーム変異体の解析を試みた。まず、大腸菌の16S rRNAを異種生物由来の16S rRNA遺伝子で置き換えた。16S rRNAはリボソーム30Sサブユニットの中心骨格を形成するため、この変異はリボソーム全体に波及すると考えられる。また16S rRNAは必須遺伝子であり、大幅な変異は機能低下や細胞死を招くことも考えられる。種々の微生物より16S rRNA遺伝子をクローニングし、大腸菌の16S rRNA遺伝子と置き換えたところ、大腸菌の16S rRNA遺伝子とは80%程度の配列相同性しかない進化系統がかけ離れた微生物由来の16S rRNAで置換しても、大腸菌が生育できることが判明した。これらの大腸菌変異株について、その生育をより詳細に観測すると、定常期において死滅しやすくなることが判明した。また定常期に細胞内のRNAを抽出したところ、RNase T2の阻害部位に変異を含む大腸菌(KT103/Rpi)では、RNAが分解されていることが確認された(図2のレーン2)。

細胞内RNA分解を指標としたRNase T2阻害活性の評価の図
図2 細胞内RNA分解を指標としたRNase T2阻害活性の評価
レーン1(KT103/Eco)、レーン2(KT103/Rpi)、レーン3(KT103 rna-/Rpi)。レーン2(KT103/Rpi)ではRNAの分解(23S rRNAと16S rRNAのバンドがない)がみられる。

 次に、RNase T2の活性阻害に関わる領域を限定するため、大腸菌と異種生物の16S rRNAからモザイク状の16S rRNAを合成し(図3)、RNase T2の活性阻害を調べた。異種生物の16S rRNAの、helix41と呼ばれる領域(図1の赤色で示した二次構造形成領域)を大腸菌の16S rRNAで置換したモザイク状の16S rRNAが阻害活性を示し、helix41領域がRNase T2の活性阻害に決定的な役割を果たしていることが判明した。生体外での結合実験や阻害実験により、helix41を介した相互作用はRNase T2に特異的であること、活性阻害は直接的な結合により引き起こされることが判明した。

大腸菌と異種生物由来16S rRNAのモザイク状遺伝子の合成の図
図3 大腸菌と異種生物由来16S rRNAのモザイク状遺伝子の合成
1:大腸菌の16S rRNA遺伝子、2:異種生物由来16S rRNA遺伝子、3:1と2のモザイク状の16S rRNA遺伝子

 RNase T2は外来RNAが細胞内に侵入するのを防ぐのに重要な役割を果たすタンパク質であるが、培養定常期やストレス条件下で細胞内膜に緩みや傷が生じると、細胞内に侵入して細胞内の自己のRNAを分解するリスクをはらんでいる。このため、細胞内に豊富に存在するリボソームが阻害活性を持つことで、自己のRNAを守る仕組みになっていると解釈される。RNase T2、リボソームともに起源の古い生体分子であり、RNase T2とhelix41は、毒素-抗毒素(トキシンーアンチトキシン)の関係として共進化してきたと想像される。リボソームには翻訳装置としての機能以外にも古くからこのような非翻訳機能が刷り込まれていた可能性が考えられる。

今後の予定

 従来、遺伝情報からタンパク質を合成する「翻訳装置」とされていたリボソームの新たな役割を見いだしたことで、リボソームには他にも生理的に重要な機能が隠されている可能性があることが判明した。今後、リボソームの機能解析を継続することで、それら未知の機能の有無についても解明していくとともに、毒性の低い感染症治療薬への応用の可能性についても探っていきたい。


用語の説明

◆リボソーム
DNAからRNAへと「転写」された遺伝情報をタンパク質へと「翻訳」する機能を担う細胞小器官。大小2つのサブユニット、3つのリボソーマルRNA(rRNA)と55のタンパク質から構成される超分子複合体である。[参照元へ戻る]
◆リボヌクレアーゼ(RNase)
RNA分解酵素の総称。とくにT2ファミリーは、ほぼすべての生物に広く分布する唯一のファミリーであり、生理的に重要な役割を担う。[参照元へ戻る]
◆ペリプラズム層
グラム陰性細菌にみられる細胞表層空間。グラム陰性細菌は、細胞内膜の外側に外膜を持つが、内膜と外膜の間の空間をペリプラズム層と呼ぶ。外界からの異物を分解する酵素などが局在している。 [参照元へ戻る]
◆16S rRNA

原核生物のリボソームの30Sサブユニット(小サブユニット)に含まれるリボソーマルRNA。約1500塩基からなる。適度な情報量と種に固有な特性から、微生物の進化系統解析に用いられる。[参照元へ戻る]

◆変異解析
生物個体の性質の差異を遺伝子解析により明らかにすること。[参照元へ戻る]
◆クローニング
組換えDNA実験手法の一つで、雑多な遺伝子の中から特定の遺伝子のみを分離すること。[参照元へ戻る]

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