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発表・掲載日:2012/03/27

二つの相反する制御機能を担う機能性RNAを発見

-RNAがDNA複製の周期に応じて遺伝子発現の促進と抑制の両方を行う-

ポイント

  • 同一のRNAが遺伝子発現の促進と抑制を巧みに使い分ける
  • 遺伝子発現抑制に必要なタンパク質を同定した
  • RNAを利用した創薬開発につながる

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)バイオメディシナル情報研究センター【研究センター長 嶋田 一夫】機能性RNA工学チーム 廣瀬 哲郎 研究チーム長、細胞システム制御解析チーム 夏目 徹 研究チーム長らは、ヒト細胞核中のU7核内低分子RNA(U7 RNA)が、細胞内の状態に応じて、二つの相反する遺伝子発現制御を行うことを発見した。

 U7 RNAは、DNAと共に染色体を構成するヒストンというタンパク質の遺伝子発現制御にかかわっている。ヒストンは、細胞核内で新しい染色体が形成されるDNA複製期(S期)にだけ合成される。これまでU7 RNAは、S期にヒストンの遺伝子発現を促進する「正」の制御を行うことが知られていた。今回、S期以外のDNA複製が起こっていない細胞のU7 RNAの機能を解析し、ヒストン遺伝子の発現が起こらないように「負」の制御を行っていることを見いだした。

 これによって、特定の時期に細胞内で必要となるタンパク質を、その時期にだけ合成するために、同一のRNAが遺伝子発現の促進と抑制の両面を使い分ける巧妙なシステムが存在することが分かった。さらにこの発見は、RNAの機能を利用した遺伝子機能の制御技術など、創薬開発に貢献することも期待される。

 詳細は、The Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America(PNAS、米国科学アカデミー紀要)電子版に掲載される。

細胞状態に応じたU7 RNAによるヒストンの遺伝子発現制御の図
図1細胞状態に応じたU7 RNAによるヒストンの遺伝子発現制御

開発の社会的背景

 ヒトゲノム解析によって、ヒトのタンパク質遺伝子の数が、マウスのものとほとんど変わらないことが分かった。一方でポストゲノム研究によって、ヒトゲノムやマウスゲノムの大部分から、機能の分からないRNAが多数生産されていることが明らかになった。これらのRNAはタンパク質に翻訳される情報を含まない「ノンコーディングRNA」と呼ばれ、主に細胞核内で機能すると考えられている。最近一部のノンコーディングRNAが、遺伝子発現の制御や細胞内構造形成、さらには疾患の発症にかかわることが明らかにされ、RNAの制御機能に注目が集まっている。

研究の経緯

 産総研では、ノンコーディングRNAの中から重要な機能を果たす「機能性RNA」の発見と、その応用技術開発を目指している。これまでに細胞核内におけるRNA機能の解析のための手法を開発し、RNAの新機能探索を進めてきた。

 なお、本研究開発は、独立行政法人 日本学術振興会の先端研究助成基金助成金「最先端・次世代研究開発支援プログラム(平成22~25年度)」による支援を受けて行った。

研究の内容

 DNAに結合して染色体を構成するヒストンというタンパク質は塩基性が強く、結合するDNAがなくて単独となった過剰なヒストンは、細胞にとって有害である。そのためヒストンの遺伝子は、細胞内のDNA複製時期(S期)にだけ発現するように厳密に制御され、細胞核内で新しい染色体が形成されるS期にのみヒストンが合成される(図1中央)。細胞核内に局在するU7 RNAは、ヒストン遺伝子のmRNAプロセシングを促進することによって、S期のヒストン合成に寄与している(図1左)。一方、U7 RNAは、S期以外のDNA複製が起こっていない時期にも豊富に存在していることが知られていた。

 今回、S期以外の細胞を用いて、U7 RNAだけを、アンチセンス核酸によって分解したところ、通常なら発現が抑制されているヒストン遺伝子の転写が著しく上昇した。またU7 RNAを過剰に細胞内で合成させると、逆にヒストン遺伝子の転写を抑制できた。これらの結果からS期以外の細胞では、U7 RNAはヒストン遺伝子発現を抑制し、余分なヒストンを作らないように制御していることが分かった(図1右、表1)。

表1 U7 RNAの二つの機能によるヒストン遺伝子発現制御
常温常圧の水中での二酸化炭素の水素化反応によるギ酸生成の経時変化の図
「*」はヒストンmRNAプロセシング促進機能、「**」はヒストン遺伝子転写抑制機能が働いていることを示す。「+」は発現・DNA複製・hnRNPUL1タンパク質の機能があることを示し、 「++」は、特に強いことを示す。「-」はそれらがないことを示す。

 ヒストン遺伝子発現を抑制するため、U7 RNAは特異的なタンパク質と複合体を形成していると考えられた。そこで、U7 RNAに結合しているタンパク質を高感度質量分析によって探索した結果、hnRNPUL1タンパク質を新たに同定した。hnRNPUL1タンパク質の機能阻害実験、過剰発現実験を行ったところ、U7 RNAの機能解析と同様に、ヒストン遺伝子の転写を制御することが確認できた。また、hnRNPUL1タンパク質が抑制機能を発揮するには、U7 RNAが必要であった(図1右、表1)。一方、hnRNPUL1タンパク質を機能阻害したところ、U7 RNAによるS期のヒストン合成は影響を受けず、U7 RNAの転写抑制機能のみに異常が現れたことから、このhnRNPUL1タンパク質は、U7 RNAの転写抑制機能だけに関与するタンパク質因子であることが分かった(表1)。

 このように、U7 RNAは、S期にはヒストン合成を促進し、S期以外にはヒストン合成を抑制するという二つの重要な役割を担っている。こうしたRNA機能を利用することにより、発現強度を段階的に調節できる人工遺伝子スイッチの開発などの応用が期待される。

今後の予定

 U7 RNAの二つの機能のメカニズムの詳細を解明する。さらに、どのようにして細胞状態を感知して機能を転換できるのかを明らかにする予定である。また、ヒストン遺伝子以外のU7 RNAの標的を探索/同定することを目指す。


用語の説明

◆ヒストン
ヒトをはじめとした真核生物の染色体を構成するタンパク質の一群。非常に長いDNAを核内に収納する役割を担っている。ヒストンは強い塩基性のタンパク質であり、酸性のDNAと高い親和性を示す。[参照元へ戻る]
◆RNA
リボ核酸の略称。生命の根幹を担う重要な分子である。RNAには多くの種類があり、たとえば全RNA量の80%を占める「リボソームRNA(rRNA)」やDNAの遺伝情報がコピーされた「メッセンジャーRNA(mRNA)」、アミノ酸を運ぶ「トランスファーRNA(tRNA)」、酵素の働きを持つ「リボザイム」などがある。RNAのうち、mRNAやtRNAのように機能を持つRNAのことを総称して機能性RNAと呼ぶ。DNAの遺伝情報に基づいて生体内でタンパク質が合成されるためには、実際にはこうしたさまざまなRNAによる両者の間の仲介が必要となる。[参照元へ戻る]
◆ポストゲノム研究
ゲノム配列の決定を受けて実施されたゲノム機能解明を指向した一連の分子生物学/医学研究。ゲノムから合成されたRNAを網羅的に解析するトランスクリプトーム解析などが挙げられる。トランスクリプトーム解析では、完全長cDNA配列の大規模解析が我が国の産総研、理研グループによって行われ、先駆的な成果が得られた。ヒトとマウスにおいて実施され、ゲノム中の大部分(7割以上)が転写されRNAが産生されていることが明らかになった。その後高速シーケンサーの出現により、その解析精度が飛躍的に向上している。 [参照元へ戻る]
◆ノンコーディングRNA
タンパク質のアミノ酸配列をコードしないRNAの総称。タンパク質へと翻訳されずにRNA自身で「機能性RNA」として働いていると考えられている。ポストゲノム解析によって数千種類にのぼるノンコーディングRNAが見いだされたが、ほとんどの場合その機能は不明。[参照元へ戻る]
◆mRNAプロセシング
真核生物では、細胞核内でDNAから転写された前駆体mRNAがさまざまな加工(プロセシング)を受けて成熟型mRNAになり、その後に細胞質に輸送されて翻訳される。核内で行われるmRNAの成熟化段階をmRNAプロセシングと呼ぶ。前駆体mRNAからのイントロン領域の除去のためのRNAスプライシングや、mRNAの分解を防ぐためにRNA両末端にキャップ構造やポリA鎖が付加される現象が含まれる。
◆アンチセンス核酸
RNAの標的配列に対になる配列(相補的配列)を持つ1本鎖DNAのことを指す。細胞のRNaseH活性を利用して、1本鎖DNAと結合した標的RNAを特異的に分解することができる。ただし1本鎖DNAは細胞内で不安定であるために、分子骨格を化学的に安定なものと入れ替えたものを用いる場合が多い。[参照元へ戻る]
◆hnRNPUL1タンパク質
哺乳類の細胞核内に比較的豊富に存在するRNA結合性タンパク質の一種で、推定分子量96キロダルトン(96000)、856アミノ酸からなる。RNA結合ドメイン以外にDNA結合性ドメインも持つことから、RNAとDNAの両方に結合する可能性が指摘されている。またアデノウィルスタンパク質、エピゲノム制御因子、転写因子と相互作用し、転写制御やDNA修復制御などにかかわるという報告例がある。[参照元へ戻る]

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