ウイルスＲＮＡ合成酵素と宿主翻訳因子との複合体の構造を解明

＜ポイント＞

○ １９７０年代初頭から不明であったＱβウイルス^注１）の宿主（しゅくしゅ）^注２）である大腸菌の翻訳因子の役割を解明

○ 宿主翻訳因子がウイルスＲＮＡ^注３）合成酵素複合体の活性部位構造形成を促進

○ 宿主翻訳因子がウイルスＲＮＡの合成伸長を促進する役割

＜開発の社会的背景＞

１９７０年代初頭に、大腸菌に感染するＱβウイルスのＱβ複製複合体^注７）の形成には、大腸菌に由来する翻訳因子ＥＦ－Ｔｕ^注８）とＥＦ－Ｔｓ^注８）が不可欠であることが報告された。その後、いくつかの動物、植物、バクテリアに感染するＲＮＡウイルスのゲノムＲＮＡ上にコードされているＲＮＡ依存性ＲＮＡ合成酵素（ＲｄＲｐ）^注９）が、宿主の翻訳因子と複合体を形成し、その複合体がＲＮＡウイルスゲノムの複製・転写^注１０）に必要であることが報告されてきた。しかしながら、ＲｄＲｐが宿主由来の翻訳因子と複合体を形成する分子機構や、複合体中の翻訳因子の役割については不明のままであった。ウイルス由来のＲＮＡ合成酵素と宿主由来の翻訳因子との複合体形成やＲＮＡウイルスゲノムの複製・転写における宿主翻訳因子の役割の分子的基盤を解明することは、新たな抗ウイルス薬の開発につながると期待されているため、国内外で研究が進められてきた。

＜研究の経緯＞

産総研らはここ数年、ＲＮＡ合成システムの機能構造基盤研究を進めてきた。特に核酸性の鋳型^注１１）を用いないＲＮＡ合成酵素の反応機構解明において、世界有数の研究成果を発信してきた（産総研プレス発表など：２００６年１０月１６日、２００８年７月８日、２００９年１０月５日）。今回、核酸性の鋳型を用いてＲＮＡを合成するウイルス由来のＲＮＡ合成酵素のうち、大腸菌に感染するＱβウイルス由来のＲＮＡ合成酵素とＱβウイルス感染細胞内の翻訳因子（ＥＦ－Ｔｕ、ＥＦ－Ｔｓ）との複合体形成機構やＲＮＡ合成における翻訳因子の新たな役割の解明をめざし、エックス線結晶構造解析と機能解析を行った。

＜研究の内容＞

本研究で対象としたＱβウイルスは一本鎖のＲＮＡをゲノムとして有するウイルスであり、Ｑβ複製複合体によってそのＲＮＡゲノムの複製・転写を行う。Ｑβ複製複合体は、他のＲＮＡウイルスではＲｄＲｐに相当するβ－サブユニットと、宿主由来の翻訳因子ＥＦ－Ｔｕ、ＥＦ－Ｔｓ、およびリボソームタンパク質Ｓ１^注１２）から構成される。特にＱβ複製複合体によるＲＮＡ複製・転写活性にはβ－サブユニットと宿主由来の翻訳因子ＥＦ－Ｔｕ、ＥＦ－Ｔｓとが三者複合体を形成することが必要である。β－サブユニットとＥＦ－Ｔｕ、ＥＦ－Ｔｓとの三者複合体のエックス線結晶構造解析と機能解析を行った結果、以下のことが明らかになった。

1. １）　Ｑβウイルス由来のβサブユニットと翻訳因子ＥＦ－Ｔｕ、ＥＦ－Ｔｓとの複合体はボートのような形をしており、β－サブユニットと翻訳因子ＥＦ－Ｔｕ、ＥＦ－Ｔｓとは１：１：１の比率で、主に疎水的な相互作用^注１３）で複合体が形成されていた（図２、３）。
2. ２）　β－サブユニットは通常のウイルス由来のＲＮＡを鋳型として用いるＲＮＡ合成酵素と同様に、サムドメイン、パームドメイン、フィンガードメイン^注１４）の３つのドメインからなる構造をしていた（図３）。
3. ３）　翻訳因子ＥＦ－ＴｕとＥＦ－Ｔｓは強固な複合体を形成し、ＥＦ－Ｔｕのドメイン２と呼ばれる領域はβ－サブユニットのフィンガー領域、ＥＦ－Ｔｓのコイルド－コイルドメイン^注１５）と呼ばれる領域はβ－サブユニットのサムドメインと疎水的な相互作用をしており、これら翻訳因子とβ－サブユニットとの相互作用によって、ＲＮＡ合成複合体のＲＮＡ合成触媒中心^注１６）構造が維持されていた（図３）。
4. ４）　翻訳因子との相互作用を破壊すると、β－サブユニットとの複合体形成が阻害され、また、β－サブユニットの発現も著しく抑えられることが示された。
5. ５）　複合体の構造中に鋳型ＲＮＡおよび基質であるリボヌクレオチド^注１７）が入っていく、ＲＮＡ合成触媒中心へと通じるトンネルをそれぞれ同定した（図４）。
6. ６）　複合体の構造中への鋳型ＲＮＡ、それに相補的な合成されたＲＮＡの二本鎖ＲＮＡの結合モデルから、ＲＮＡ合成伸長過程において、鋳型と合成されたＲＮＡからなる二本鎖ＲＮＡは複合体中のＥＦ－Ｔｕ、ＥＦ－Ｔｓの方向へ伸長することが示された（図４）。
7. ７）　ウイルスゲノムＲＮＡの効率的な複製、転写には、鋳型と合成されたＲＮＡからなる二本鎖ＲＮＡの構造を変化させる必要があり、複合体中のＥＦ－Ｔｕ、ＥＦ－Ｔｓは、二本鎖ＲＮＡをほどく機能があることが示唆された。

以上の結果から、ウイルス由来のＲＮＡ合成酵素の機能発現において、宿主由来の翻訳因子はＲＮＡ合成触媒中心構造を維持するために必要なタンパク質シャペロン^注１８）として働いていることを提唱した。さらに、ＲＮＡ合成伸長モデルから、翻訳因子はウイルスＲＮＡゲノムの合成伸長反応を効率よく行うために、鋳型ＲＮＡと合成されたＲＮＡの二本鎖ＲＮＡをほどいてＲＮＡの構造を変化させる新機能を有していることをも提唱した。

なお、本研究で明らかになった複合体の構造は、世界で初めてのウイルス由来のＲＮＡ合成酵素と宿主タンパク質との複合体の構造であると同時に、翻訳因子が翻訳サイクル以外の過程で機能する様子を捉えたものでもある。また、ウイルスの感染細胞での増殖は宿主のタンパク質に依存しているが、今回、明らかになった分子的基盤により、ウイルス由来のＲＮＡ合成酵素と宿主由来のタンパク質との複合体形成を阻害することによって、ウイルスの増殖を阻害することが可能な新たな抗ウイルス薬の開発が期待される。

＜今後の予定＞

今後、ウイルス由来のＲＮＡ合成酵素と宿主由来の翻訳因子との複合体が、ＲＮＡウイルスゲノムの合成を開始しＲＮＡを伸長合成していく様子を捉えたエックス線結晶構造解析と機能解析を行い、ウイルスゲノムＲＮＡの複製・転写における翻訳因子の詳細な動的反応の分子的基盤を明らかにしていきたい。

＜参考図＞

＜用語解説＞

注１） Ｑβウイルス

一本鎖ＲＮＡをゲノムとして有し、大腸菌に感染して増幅するウイルスの一種。

注２） 宿主

一般に、ウイルスは自分自身では増殖できず、他の生物に感染して、その生物のもつタンパク質などの助けを借りて増殖する。この感染先の生物、細胞のことを宿主と呼ぶ。

注３） ＲＮＡ

核酸にはＤＮＡとＲＮＡが存在する。ＤＮＡはＡ、Ｇ、Ｃ、Ｔの４種類の構成要素（ヌクレオチド）が連結したものであり、一方ＲＮＡはＡ、Ｇ、Ｃ、Ｕの４種類のヌクレオチドが連結したものである。

注４） 翻訳因子

生体内でのタンパク質の合成を翻訳という。タンパク質はＤＮＡ（あるいはＲＮＡ）の配列を基にして、遺伝暗号によってリボソームと呼ばれる超複合体にてアミノ酸が連結されたタンパク質へと変換される。翻訳因子は、タンパク質の翻訳過程に関与するタンパク質のことをいう。

注５） サブユニット

いくつかの構成因子（ユニット）からなる複合体のなかの１つのユニットのことをさす。

注６） ゲノム

生物のもつ遺伝情報が記載されている核酸。通常の生物はＤＮＡをゲノムとして有するが、他の生物に寄生して自己増殖するウイルスでは、ＲＮＡをゲノムとして有するものがある。

注７） Ｑβ複製複合体

ＱβウイルスゲノムＲＮＡの複製や転写を行う酵素複合体。

注８） ＥＦ－Ｔｕ、ＥＦ－Ｔｓ

ＥＦ－Ｔｕ、ＥＦ－Ｔｓともに翻訳伸長因子であり、全ての生物に存在する。ＥＦはＥｌｏｎｇａｔｉｏｎ Ｆａｃｔｏｒの略である。ＥＦ－Ｔｕはアミノ酸の結合したtＲＮＡをリボソームと呼ばれるタンパク質合成装置へ運搬する役割を果たしており、一方ＥＦ－ＴｓはＥＦ－Ｔｕをリサイクルする役割を果たしている。いずれの因子もタンパク質の合成サイクルに必須なタンパク質である。

注９） ＲＮＡ依存性ＲＮＡ合成酵素（ＲｄＲｐ）

鋳型としてＲＮＡを用いて（ＲＮＡ配列に依存して）、それに相補的なＲＮＡ配列を合成する酵素。

注１０） 複製・転写

ある核酸（ＤＮＡ、ＲＮＡ）の配列があるとき、その配列と全く同じ配列の核酸を合成することを複製という。また、ある核酸（ＤＮＡ、ＲＮＡ）の配列の相補的な配列を合成することを転写と呼ぶ。

注１１） 核酸性の鋳型

生体内での核酸（ＤＮＡやＲＮＡ）の合成は通常、その青写真となる核酸配列が存在し、塩基の相補性と呼ばれる規則に従って行われる。青写真の配列を鋳型と呼び、合成される配列は青写真と相補的である。

注１２） リボソームタンパク質Ｓ１

生体内でのタンパク質合成はリボソームと呼ばれる巨大な複合体で行われる。リボソームは数十種類のタンパク質と３つのＲＮＡから構成される。リボソームタンパク質Ｓ１はリボソームを構成するタンパク質の一種。

注１３） 疎水的な相互作用

水になじみにくい部分をもったタンパク質間（あるいはタンパク質の部位間）に働く引力的相互作用を表す。疎水的の逆は親水的。

注１４） サムドメイン、パームドメイン、フィンガードメイン

ＲＮＡ合成酵素のいくつかのものは、右手で言い表される構造をとっていることが知られており、３つの構成ドメインからなる。サム、パーム、フィンガーはそれぞれ、ｔｈｕｍｂ（親指）、ｐａｌｍ（手のひら）、ｆｉｎｇｅｒ（指）を表す。

注１５） コイルド－コイルドメイン

コイルが２つ直列に連結された構造のことを表す。

注１６） ＲＮＡ合成触媒中心

ＲＮＡの合成はリボヌクレオチドが連結される化学反応である。このＲＮＡ合成の化学反応を促進する部位のことを触媒中心という。

注１７） リボヌクレオチド

ＲＮＡを構成するヌクレオチドのこと。

注１８） タンパク質シャペロン

タンパク質がその機能を発現するためには、正しく折りたたまれて、正しい構造をとることが必要である。タンパク質シャペロンは、他のタンパク質が正しい構造をとるのを助ける役割をもつタンパク質の総称である。

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