研究内容

生命活動の多くは、タンパク質の働きによって支えられています。タンパク質は、20種類のアミノ酸が連結したポリペプチド鎖として構成されており、その配列はDNAに記述された遺伝情報に基づいて合成されます。

このタンパク質合成反応は、リボソームと呼ばれる巨大な細胞内装置によって行われます。
DNAの配列はまずmRNA（メッセンジャーRNA）に転写され、mRNAの情報をもとにリボソームがアミノ酸を1つずつ連結していくプロセスが翻訳(translation)です。この翻訳過程は、あらゆる生物の遺伝子発現において中心的な役割を果たしており、その制御や異常は細胞機能に大きな影響を及ぼします。近年の研究から、我々ヒトでは翻訳の異常がさまざまな疾患の原因となることが明らかになりつつあります。

リボソームは、新規に合成されるポリペプチド(新生ペプチド)が通過する「出口トンネル」と呼ばれる構造を持ちます。当初、このトンネルはテフロンのようにツルツルとした通路と見なされ、新生ペプチドは何の妨げもなく通過してくると考えられていました。しかしその後の研究から、この出口トンネル内で新生ペプチドがリボソームと相互作用し、翻訳を一時停止させる“翻訳アレスト”現象がさまざまな生物種で起こることが明らかとなっています。

この翻訳アレストは単なる翻訳の失敗ではなく、生理的な意味を持つ機構として進化的に利用されている例もあります。

その代表的な例が、大腸菌のTnaCペプチドです。このペプチドは特定のアミノ酸配列の並びがトンネルと密な相互作用を形成し(トンネル内で詰まる)、翻訳を停止させます。またこの現象は、新生ペプチドのアミノ酸配列に加えて、細胞内の遊離トリプトファン濃度にも依存しています。すなわち、TnaCを翻訳中のリボソームがトリプトファンの細胞内濃度センサーとして機能し、下流にあるトリプトファン分解酵素TnaAの遺伝子発現を制御するのです。

このように、新生ペプチドとリボソームの相互作用が翻訳と遺伝子制御を接続する事例は、大腸菌だけでなく他のバクテリアや出芽酵母、植物、我々ヒトでも見出されています。

このような制御的翻訳アレストは、これまでごく限られた遺伝子でのみ観察される、特異な現象と考えられてきました。しかし、地球上の生命がもつすべてのタンパク質は、原則リボソームトンネルを通過しながら合成されます。

私たちは、「翻訳アレストが特定の遺伝子だけに限られたものではなく、より広範なスケールで起こっている可能性があるのではないか？」という疑問から、翻訳中に一時停止した産物（ペプチジルtRNA）の蓄積を網羅的に調べました。大腸菌の1,000以上の遺伝子を対象とした解析では、TnaCやSecMほど強固ではないものの、約80%以上の遺伝子で翻訳途中産物の蓄積が認められ、翻訳異常が広範に発生している可能性が示されました。

この結果は、従来の「翻訳はスムーズに進むもの」というこれまでの考えを覆すものであり、出口トンネルと新生ペプチドの相互作用が、遺伝子発現の制御に広く関与していることを示唆した結果と言えます。

加えて、我々は新規アレストペプチドの探索にも取り組んでいます。大腸菌のゲノムに潜んでいた短いORFを対象に解析を行った結果、14アミノ酸からなる新規アレストペプチドPepNLを同定しました。

Cryo-EM構造解析の結果、PepNLは新生ペプチドが折れ曲がってヘアピンのような構造を形成し、出口トンネル内で詰まっていることが明らかとなりました。この詰まった部分がさらに後続の新生ペプチドを歪ませ、翻訳の終結反応を阻害するために、リボソームの停滞が起こっていることも分かりました。

興味深いことに、PepNL同様に終結反応を阻害するアレストペプチドを比較したところ、アミノ酸配列はてんでバラバラな一方、新生ペプチドには共通の“歪み”が見られました。この構造的特徴が翻訳制御(特に終結反応)にどのように関与するのか、さらなる研究を進めています。

リボソームという分子装置は、単なるタンパク質合成工場ではありません。
新生ペプチドとの相互作用によって、合成のタイミングをコントロールし、時に遺伝子発現のスイッチとして働く複雑な機能を備えていることがあきらかになってきました。

私たちは、この“ダイナミックな翻訳の世界”を分子レベルで解き明かすとともに、得られた知見を将来的なタンパク質工学、医療応用、生物設計へと発展させていくことを目指しています。