東大と理化学研究所、遺伝暗号表構築における「生きた化石」タンパク質の立体構造を解明
生命の遺伝暗号表構築における「生きた化石」タンパク質の立体構造を解明
＜概要＞
ホスホセリルｔＲＮＡ合成酵素（ＳｅｐＲＳ）は進化的に古い生命の遺伝暗号表の構築に働いていたと考えられているアミノアシルｔＲＮＡ合成酵素である。東京大学は理化学研究所と共同でＳｅｐＲＳとリン酸化セリンおよびシステイン用ｔＲＮＡの複合体の立体構造を、大型放射光施設ＳＰｒｉｎｇ－８を利用して決定し、生命の遺伝暗号表の進化の過程を１つ解明した。
＜解説＞
生物の生命活動をおもにコントロールしているのは、タンパク質である。タンパク質は、わずか２０種類のアミノ酸からできており、 ＤＮＡの遺伝情報にもとづいて合成される。この過程を翻訳＊１と呼ぶ。翻訳のときには転移ＲＮＡ（＊１）（ｔＲＮＡ）（＊１）が仲介役となってＤＮＡの塩基情報をタンパク質のアミノ酸と結び付ける。特定のアミノ酸を、対応するｔＲＮＡに正しく結合させることで遺伝暗号表（＊２）を構築しているのが、アミノアシルｔＲＮＡ合成酵素（＊２）と呼ばれる酵素群である。
多くの生物は２０種類のアミノ酸に対応して２０種類の合成酵素をもっている。合成酵素のうちの１つシステイニルｔＲＮＡ合成酵素（ＣｙｓＲＳ）はシステイン（Ｃｙｓ）をシステイン専用のｔＲＮＡ（ｔＲＮＡＣｙｓ）に結合させ、Ｃｙｓ－ｔＲＮＡＣｙｓを合成する酵素である（図１）。ところが進化的に古い特徴をもったある種の細菌はＣｙｓＲＳをもっていない。その代わり、そのような生物はホスホセリルｔＲＮＡ合成酵素（ＳｅｐＲＳ）と呼ばれる他の一般的な生物にはない酵素をもっている。ＳｅｐＲＳは標準的な２０種類のアミノ酸のいずれとも異なるアミノ酸であるリン酸化セリン（Ｓｅｐ）（＊３）をｔＲＮＡＣｙｓに結合させＳｅｐ－ｔＲＮＡＣｙｓを生成する。Ｓｅｐ－ｔＲＮＡＣｙｓはその後別の酵素であるＳｅｐＣｙｓＳにより最終産物であるＣｙｓ－ｔＲＮＡＣｙｓへと変換される。初期の生命の遺伝暗号表においてはＳｅｐＲＳとＳｅｐＣｙｓＳがＣｙｓ－ｔＲＮＡＣｙｓ生成を担っていたが、進化に伴って登場したＣｙｓＲＳがＣｙｓ－ｔＲＮＡＣｙｓ生成の役割を引き継いだと考えられる。したがってＳｅｐＲＳは生命の遺伝暗号表進化における「生きた化石」であると考えられている。ここで、ＳｅｐＲＳがいったいどのような形をしていて、どのようにリン酸化セリンやｔＲＮＡＣｙｓを認識するのか、は分かっていなかった。それらを解明することで生命の遺伝暗号表進化の歴史の一端が明らかになることが期待された。
研究グループは、ＳｅｐＲＳがリン酸化セリンおよびｔＲＮＡＣｙｓと結合した状態での複合体立体構造を、大型放射光施設ＳＰｒｉｎｇ－８（＊４）の共用ビームラインＢＬ４１ＸＵを利用し、０．２６ナノメートル分解能で観測することに成功した（図２）。
その結果、ＳｅｐＲＳはＮ端ドメイン、触媒ドメイン、挿入ドメイン、Ｃ端ドメインの４つのドメインからなることが分かった。触媒ドメインにおいて、リン酸化セリンを厳密に認識している様子が観測された。またＳｅｐＲＳのＣ端ドメインがｔＲＮＡＣｙｓを厳密に認識している様子も明らかになった。
さらに明らかになった原子構造をもとにして、人工的な遺伝暗号拡張に利用可能な「サプレッサーｔＲＮＡ」にリン酸化セリンを結合させることのできるような改変ＳｅｐＲＳを創出することに成功した。今後はこの改変ＳｅｐＲＳを用いて、遺伝暗号表を人工的に拡張し、リン酸化セリンをタンパク質に部位特異的に導入する技術の開発研究に力を入れていく予定である。このような技術が実現されると、タンパク質内のセリンのリン酸化というヒトの病気などに深く関わる重要な現象についての研究が飛躍的に進むことが期待される。この研究は、我が国で推進している「タンパク３０００プロジェクト」の成果の１つである。
図１：進化的に古い特徴をもつ生物における、ＳｅｐＲＳが重要な役割を果たすＣｙｓ－ｔＲＮＡＣｙｓ生成方法。
※ 関連資料参照
図２：今回解明されたＳｅｐＲＳ・ｔＲＮＡＣｙｓ・リン酸化セリン複合体の立体構造。
※ 関連資料参照
＜用語解説＞
＊１．「翻訳」「転移ＲＮＡ（ｔＲＮＡ）」「サプレッサーｔＲＮＡ」：
翻訳とはＤＮＡの塩基配列情報をアミノ酸配列にし、タンパク質を合成すること。ＤＮＡ上の塩基配列暗号は、３塩基ごとに区切ることができる。三つ組塩基の配列がひとつのアミノ酸を規定しているが、その対応関係を与えるアダプターが転移ＲＮＡ（ｔＲＮＡ）。ひとつのｔＲＮＡはひとつの特定のアミノ酸を結合でき、特定の三つ組塩基にのみ結合する。サプレッサーｔＲＮＡとは本来翻訳の終結を規定する三つ組塩基を認識するｔＲＮＡであり、タンパク質への非標準アミノ酸の導入にしばしば用いられる。
＊２．「遺伝暗号表」「アミノアシルｔＲＮＡ合成酵素：
遺伝暗号表とは、タンパク質を合成するさいに、ＤＮＡ中の三つ組塩基がどのアミノ酸に翻訳されるかを記した表。 アミノアシルｔＲＮＡ合成酵素は２０種類のアミノ酸それぞれに対応して２０種類存在し、特定のアミノ酸を対応する転移ｔＲＮＡに結びつける。
＊３．「リン酸化セリン」：
タンパク質の基本材料となる２０種類のアミノ酸のうちの１つであるセリンにリン酸基が付加されたアミノ酸である。本来は翻訳に用いられることはない。
＊４．「ＳＰｒｉｎｇ－８」：
西播磨にある世界最高水準の大型放射光実験施設。光速近くに加速された電子から作られる強力なＸ線をタンパク質の結晶に当て、そのタンパク質のかたちを原子レベルで解析できる。
＜論文情報＞
米国科学誌 Ｎａｔｕｒｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ＆ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｉｏｌｏｇｙ ２００７年３月１２日午前３時（日本時間）にオンラインに掲載。