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研究の背景

生物の主要な構成成分であるタンパク質は、20 種類の標準アミノ酸(※1)が、DNA の情報を写し取ったmRNA の塩基配列に従って、リボソームと呼ばれる構造物上で、鎖状につながることで合成されます(ポリペプチド鎖の合成、図1)。

それぞれのタンパク質は20種類のアミノ酸が固有の順番に並ぶことによって機能を発揮しますが、アミノ酸の配列はmRNA上の三連の塩基配列(コドン)によって指定されています。このmRNAとアミノ酸の対応関係は遺伝暗号(標準遺伝暗号)として知られ、すべての生命体に共通に存在するアルゴリズムです(図2)。

遺伝暗号は、アミノアシルtRNA 合成酵素(aaRS)という酵素が、対応するtRNA(※2)に対応するアミノ酸を結合させ(tRNA のアミノアシル化［※3］)、アミノ酸の結合したtRNAが順番通りに正しくmRNAのコドンと対応することで成立します(図1)。

tRNAは L字型の立体構造を持ちますが、これは原始型である「RNAミニヘリックス」が重合して進化したと考えられています(図3)。それぞれのaaRS は、一般的に、tRNA のアンチコドンの塩基配列を認識して対応するアミノ酸を結合させます。しかし、タンパク質を構成するアミノ酸の1種であるアラニン(Ala)を専用のtRNA(tRNA^Ala)に結合させる酵素(AlaRS)は、tRNA^Alaのアンチコドンではなく、tRNA^Ala に共通に存在するG3:U70塩基対を特異的に認識して、tRNA^Ala にAlaを結合させていることが1988年にNature誌とScience誌にほぼ同時に報告され、「第２の遺伝暗号」の可能性が指摘されてきました(図3)。

このG3:U70 塩基対に代表されるRNAミニヘリックス構造上に見られるaaRSによる認識部位は、進化的に、アンチコドンに先立つと考えられており、標準遺伝暗号に依拠しない原始遺伝暗号としての「オペレーショナルRNAコード」という概念が生み出されました(図3)。しかしながら、どのようにしてtRNA^AlaのG3:U70 塩基対がAlaRSによって認識されるようになったのかについては、今日まで解明されていませんでした。

田村教授らの研究グループは、古細菌で最もゲノムサイズの小さなナノアーキア(Nanoarchaeum equitans(※4))のAlaRS を用いて、tRNAのアミノアシル化現象について検証しました。

研究の詳細

ナノアーキア以外の生物のAlaRS は1 本のポリペプチド鎖ですが、ナノアーキアのAlaRS はαとβという2本のポリペプチド鎖から構成されています。α鎖やβ鎖は、単独ではtRNA^Alaへのアミノアシル化活性を示さないというのが従来の常識でした。しかし本研究によって、α鎖のみでもtRNA^Alaへのアラニン結合活性を有することが発見されました。

さらに驚くべきことに、ナノアーキアのtRNA^AlaにもG3:U70塩基対が存在しているにもかかわらず、α鎖のみによる反応の場合には、G3:U70塩基対に依存しないtRNA^Alaのアミノアシル化が起こっていたのです。そして、G3:U70塩基対に依存した活性は、α鎖にβ鎖が加わった時に初めて生み出されることも明らかになりました。

研究グループは、tRNA の原始型であると考えられるRNA ミニヘリックスを用いたアミノアシル化の解析も行い、アミノ酸結合部分に近いディスクリミネーターと呼ばれる塩基が、G3:U70 塩基対に依存しないα鎖による認識に重要であることも突き止めました(図3)。

tRNA^Alaのミニヘリックス部分に存在するG3:U70 塩基対は、アンチコドンに先立って確立された原始遺伝暗号(オペレーショナルRNAコード)であったことが考えられますが、この実験によって、さらにG3:U70 塩基対が出現する前には、RNA ミニヘリックスよりも小さなRNA が「超原始tRNA」として機能していた可能性が示唆されました(図4)。ナノアーキアのAlaRS のα鎖にβ鎖が付け加わっていく過程に見られるように、現在の遺伝暗号は、「超原始tRNA」(ディスクリミネーター)→「RNAミニヘリックス」(オペレーショナルRNAコード)→「tRNA」(アンチコドン)というように、aaRSによる認識部位の変遷を通して、成し遂げられてきた可能性を示すものです(図4)。

このように、本研究では、標準遺伝暗号に先立つオペレーショナルRNAコードがいかにして成立したかを明らかにする重要な手がかりを発見しました。これは、地球上の生命システムの根幹を成す遺伝暗号がどのようにして生まれ、現在の形に進化してきたのかという本質的な問いに対して、現在の生物に残された手がかりを発見した極めて重要な成果です。

研究を行った田村教授は「生物は、DNA 上に保存された情報を使って、生命活動を営んでいます。この情報は、単にA、T、G、C という4 文字の繰り返しから構成されているものに過ぎませんが、この文字列を実際に動かす共通に存在するアルゴリズムが遺伝暗号です。遺伝暗号を成立させるtRNAのアミノアシル化は、タンパク質合成の鍵となる反応であり、今後、遺伝暗号を利用した新しいタンパク質工学・核酸工学への新たな展開も期待できます。科学のブレイクスルーは、ほぼすべて好奇心に突き動かされた研究から出てきたものであり、本研究の成果も例外ではなく、生命の起源の謎に迫るとともに、多くの分野に大きな波及効果をもたらす可能性を秘めています。」として、今後の研究に意欲を示しています。

用語

※1　アミノ酸：アミノ基とカルボキシル基をもつ有機分子。タンパク質の構成単位となる。生物は通常、20種類の標準アミノ酸をもとに、タンパク質を合成する。図1参照。

※2　tRNA：運搬RNA(transfer RNA)。tRNAの一端には特定のアミノ酸が結合し、遺伝子の塩基配列に応じた適切なアミノ酸を運ぶ役割をする。RNAはヌクレオチドと呼ばれる分子が鎖状につながった構造をしており、4種類の塩基とその修飾体を有する。

※3　tRNAのアミノアシル化：アミノ酸を対応するtRNAに共有結合させる反応。現在の生物では、アミノアシルtRNA合成酵素(aminoacyl-tRNA synthetase：aaRS)がこの反応を触媒する。

※4　Nanoarchaeum equitans(ナノアーキア)：2002年にアイスランド沖の熱水噴出孔で発見された海洋古細菌。細胞の直径はわずか400ナノメートルであり、既知の最小の細胞生物の1つである。古細菌の中では最小のゲノムサイズを有している(約49万塩基対)。