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平成21年8月24日

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理化学研究所
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RNA干渉に必須の2本鎖RNAの合成酵素をヒトで初めて発見

−ヒトのRNA干渉の機構解明に大きな一歩−

JST目的基礎研究事業の一環として、国立がんセンター研究所の増富 健吉 プロジェクトリーダーは、RNA干渉注1)を起こすのに必須である2本鎖RNAを合成する酵素が、ヒトの細胞でも存在することを明らかにしました。この発見は、ヒトなどのほ乳動物でのRNA干渉の解明につながるものと期待されます。

RNA干渉は、2本鎖RNAが特定の遺伝子の発現を抑制する現象で、ウイルス感染に対する防御機構など生体内のさまざまな局面で重要な役割を担っています。1990年代に、植物で2本鎖RNAを合成する酵素「RNA依存性RNAポリメラーゼ注2)」が発見されて以来、真核生物などでも存在することが報告されていましたが、ヒトなどのほ乳動物での存在は確かではなく、分子生物学における長年の謎のひとつとなっていました。

今回、段階的な実験を重ねた結果、ヒトのテロメア注3)を合成する酵素として知られていたテロメレース逆転写酵素(TERT)注3)が、RNA依存性RNAポリメラーゼとしての機能も持ち合わせており、実際に細胞内で機能していることを突き止めました。 この発見は、RNA干渉のメカニズムの重要な部分を解明したもので、開発が進むRNA干渉応用医薬品、新規がん治療法の開発などの発展にも寄与するものと期待されます。

本研究成果は、国立がんセンター研究所の増富 健吉 プロジェクトリーダーを中心とした、理化学研究所 オミックス基盤研究領域の林崎 良英 領域長、ハーバード大学のウィリアム・ハーン 教授らとの共同研究によって得られたもので、2009年8月23日(英国時間)に英国科学雑誌「Nature」のオンライン速報版で公開されます。

本成果は、以下の事業・研究領域・研究課題によって得られました。

戦略的創造研究推進事業 個人型研究(さきがけ)

研究領域 「RNAと生体機能」
(研究総括:野本 明男 東京大学 大学院医学系研究科 教授)
研究課題名 「RNA依存性RNAポリメラーゼとそのクロマチン構造維持機構」
研究者 増富 健吉(国立がんセンター研究所 がん性幹細胞研究プロジェクト プロジェクトリーダー)
研究実施場所 国立がんセンター研究所
研究期間 平成19年10月〜平成23年3月

JSTはこの領域で、生命現象を支え制御するRNAの新たな機能を探索し、既知のRNA機能の活用を目指した研究と将来の先端医療技術等へとつながる機能性RNA分子の新たな活用技術開発を目指しています。上記研究課題では、ヒトにおけるRNA依存性RNAポリメラーゼの同定とその生物学的意義の解明を目指して研究を続けています。

<研究の背景と経緯>

生命の「基本設計図」と称されるDNAが一時的にRNAにコピーされ、生命構造の「部品」であるたんぱく質が作られるということが生命現象の柱であると考えられています。すなわち、RNAは遺伝子情報の一時的な伝達物質の役割を果たすものと考えられてきましたが、近年、RNAは一時的な伝達物質の役割以外にも多くの重要な役割を持ち、生命現象に直接的に深く関わっていることが分かってきました。

とりわけ、21−23塩基程度の小さなRNAが直接的に遺伝子の発現量の調節や遺伝子構造の構築に深く関わることで生命現象に影響する現象をRNA干渉と呼び、この十数年の生命科学研究の中で非常に重要な発見として知られています(2006年には「RNA干渉」の発見に対してノーベル医学生理学賞が授与されました)。

このRNA干渉を引き起こす際に重要な分子として働く21−23塩基程度の小さなRNAは、機能を発揮する際に「2本鎖のRNA」として存在することが必須とされています。DNAが2本鎖で存在することは「DNA二重らせん構造」モデルでよく知られていますが、RNAも時として2本鎖として存在することで生命現象に深く関わるということは大変衝撃的な発見でした。

なぜなら、1本鎖RNAから2本鎖RNAを合成する際に必要となるRNA依存性RNAポリメラーゼの存在は一部のウイルスや植物で確認されていましたが、RNA干渉が重要な生命現象として働いている動物での存在は確かではありませんでした。

その後、多くの研究者の努力により、線虫などのモデル動物や酵母、アカパンカビなどの真核生物にはRNA依存性RNAポリメラーゼが存在し、このことから2本鎖RNAが合成されていることが立証されました。しかし、ヒトなどのほ乳動物ではRNA干渉という現象が起こっていながら、その現象に必須な酵素と思われるRNA依存性RNAポリメラーゼの存在が明確ではなかったため、ヒトなどのほ乳動物でのRNA干渉は「例外的に特別な方法を用いて2本鎖RNAが合成されているに違いない」という考え方が有力でした。このように「RNA干渉」の発見以来、依然として「ほ乳動物でRNA依存性RNAポリメラーゼの存在の有無」に関する見解は、常に生命科学上の非常に重要なテーマとして議論されてきました(図1)。

<研究の内容>

RNA依存性RNAポリメラーゼは、RNAを鋳型にして反対向きのRNAを合成する酵素です。これらが対をなすことで2本鎖RNAができあがります。一方で、酵母からヒトまで広く種を超えて存在するRNA依存性DNAポリメラーゼの一種であるTERTは、RNAを鋳型にして反対向きDNAを合成する(逆転写酵素活性)酵素として知られていました。

TERTは、その特性を利用して染色体末端に存在するテロメアという構造を維持することが重要な役割です。しかし、このTERTの構造を細かく解析してみると、ウイルスに存在するRNA依存性RNAポリメラーゼの構造に非常に類似していることが分かってきました。そこで増富らは、「TERTが特定の条件下ではRNA依存性RNAポリメラーゼとして働きうる」のではないかという仮説のもとに研究を進めました。

はじめに、TERTはRNAと安定な結合をするたんぱく質であるということが分かっていたことから、「特定の条件」とは「結合するRNAの種類」ではないかと推測しました。そこで、生化学的手法を駆使して、ヒト子宮頸ガン由来の培養細胞を用いてTERTに結合するRNAを網羅的に解析した結果(表1)、RMRP(RNA component of mitochondrial RNA processing endoribonuclease)という非たんぱくコードRNA注4)と結合した際にRNA依存性RNAポリメラーゼの活性を示すことを突き止めました(図2)。さらに、TERTのRNA依存性RNAポリメラーゼ活性によりRMRPの反対鎖が合成され、2本鎖RNAが作られた後、確かに22塩基の小さな2本鎖RNAとして機能していることも証明しました(図3)。これら一連の結果は、試験管内でヒトRNA依存性RNAポリメラーゼの人為的な再構成が可能であったこと、またヒト由来の培養細胞を用いた実験で、細胞内でも通常状態で起こると確認できたことから、ヒトでもTERTがRNA依存性RNAポリメラーゼとして働きうることが示唆されました。

今回の発見は、1.ヒトなどのほ乳動物でもRNA干渉に重要な酵素であるRNA依存性RNAポリメラーゼの存在が示されたこと、2.ヒトなどのほ乳動物においても、RNA干渉の過程で重要な役割を果たす22塩基の小さな2本鎖RNAが、外部から導入されなくても細胞内で作り出されていることを示した最初の報告です。

<今後の展開>

本研究成果は下記の点において重要な展望を示すもので、将来のRNA干渉を応用したがんをはじめとする疾患治療に向けた研究に貢献することが期待されます。

  1. 1. RNA干渉応用医薬品の新たな技術への応用

    1990年代にアンチセンスRNA医薬注5)が注目され、その開発が行われましたが、ほとんどは成功しませんでした。その最大の理由として、アンチセンスRNAを増幅するシステムが生体内に備わっていないため、アンチセンスRNAの医薬品としての効果が増強されないことが上げられます。

    一方で、RNA干渉のメカニズムは生体内に備わっているものであり、その増幅過程の中心となるRNA依存性RNAポリメラーゼの存在が立証されたことから、生体内に存在するヒト型RNA依存性RNAポリメラーゼを用いてのRNA干渉増幅技術や開発が進むRNA干渉応用医薬品の新たな技術への応用が期待されます。

  2. 2. 幹細胞機能維持に重要な役割を果たす分子であるRMRPの幹細胞生物学への技術応用
  3. 3. 従来から発がんの分子メカニズムに深く関わることが知られていたTERTの新たな機能を標的としたがん治療法の確立およびがん性幹細胞を標的とした治療法への応用

<参考図>

表1 テロメラーゼの触媒サブユニット(TERT)と結合するRNAの網羅的解析

表1 テロメラーゼの触媒サブユニット(TERT)と結合するRNAの網羅的解析

従来から知られていたTERCに加え非たんぱくコードRNAの1つであるRMRPもTERTと物理的相互作用をする候補として同定された。

図1 RNA干渉の機構

図1 RNA干渉の機構

この過程で二本鎖のRNAが生成する機構は長年の謎であった。

図2 テロメレース逆転写酵素(TERT)がRMRPと結合していることを示す実験結果

図2 テロメレース逆転写酵素(TERT)がRMRPと結合していることを示す実験結果

293T細胞およびHeLa細胞はそれぞれヒト腎臓がん、ヒト子宮頸がん由来の培養細胞株。 hTERC同様にRMRPもTERTと物理的相互作用することが確認された。

図3 テロメレース逆転写酵素(TERT)の2つの機能

図3 テロメレース逆転写酵素(TERT)の2つの機能

<用語解説>

注1) RNA干渉
RNAi(RNA interference)とも呼ばれる。21塩基から23塩基の小さな2本鎖RNAが特定の遺伝子の発現を抑制する現象。真核細胞、植物、動物など広く種を超えて保存されているRNAにより介在される遺伝子発現制御機構。
注2) RNA依存性RNAポリメラーゼ
RNAを鋳型(センス鎖)にして反対向きRNA(アンチセンス鎖)を合成する酵素。
注3) テロメアとテロメレース逆転写酵素(TERT)
テロメアは、真核生物の染色体の末端部分にある構造で、その末端部分を保護する役目を持つ。通常は複製の度に短くなっていく。しかし、テロメレースが存在すると切断された部分が新たに合成されテロメアの長さが保たれる。テロメレースはテロメア配列の鋳型となるRNAとテロメレース逆転写酵素(TERT)などからなる複合体である。
注4) 非たんぱくコードRNA
ncRNA(Non-coding RNA)とも呼ばれる、たんぱく質をコードしないRNA。主に遺伝子発現制御に関して生物学的に重要な機能を持つncRNAも多く示され、ほ乳動物の発生や他の生物学的機能において重要な役割を担っている。
注5) アンチセンスRNA医薬
RNAを標的とした核酸医薬の1つ。生体内に存在するセンス方向のRNAに対合するアンチセンス方向のRNAを外部から人為的に導入し、生体内で機能を発揮すると考えられるセンス方向のRNAの機能を阻害することで、目的の遺伝子発現を制御することにより、医薬品としての効果を期待したもの。

<掲載論文名>

“An RNA-dependent RNA polymerase formed by TERT and the RMRP RNA”
(テロメレース逆転写酵素(TERT)とRMRPにより形成されるRNA依存性RNAポリメラーゼ)
doi: 10.1038/nature08283

<お問い合わせ先>

<研究に関すること>

増富 健吉(マストミ ケンキチ)
国立がんセンター研究所 がん性幹細胞研究プロジェクト プロジェクトリーダー
〒104-0045 東京都中央区築地5−1−1
Tel:03-3547-5201(内線 4701)/03-3547-5173(直通) Fax:03-3547-5123
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<JSTの事業に関すること>

原口 亮治(ハラグチ リョウジ)
科学技術振興機構 イノベーション推進本部 研究推進部
〒102-0075 東京都千代田区三番町5番地 三番町ビル
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