ポイント
- たんぱく質はリン酸化と脱リン酸化によってその機能や細胞内における局在がダイナミックに制御されている。本研究は、たんぱく合成のアダプター分子であるｔＲＮＡにおいて可逆的なリン酸化修飾（２′リン酸化ウリジン，Ｕｐ修飾）を発見した。Ｕｐ修飾はｔＲＮＡに耐熱性やＲＮＡ分解酵素に対する耐性を与えることで、生物の耐熱性に寄与することを明らかにした。
- ｔＲＮＡのＸ線結晶構造解析から、Ｕｐ修飾は準安定なｔＲＮＡの立体構造を許容することでｔＲＮＡの熱変性を防ぐという、ＲＮＡ修飾が担う新しい機能を提唱した。
- Ｕｐ修飾を導入する酵素（ＡｒｋＩ）およびＵｐ修飾を脱リン酸化する酵素（ＫｐｔＡ）を同定し、Ｕｐ修飾が可逆的であることを示した。Ｕｐ修飾の可逆性は環境変化に応じてｔＲＮＡの構造と機能を調節することで生物の生存に寄与していると考えられる。
- 本研究成果は、ＲＮＡの構造と機能がリン酸化修飾によって、エピトランスクリプトミクス的に制御される新たな機構を提唱し、ＲＮＡ修飾が担う生命の環境適応進化の理解に貢献する。
- ＲＮＡは医薬開発における新しいモダリティとして注目されている。特にｍＲＮＡワクチンを始めｓｉＲＮＡやアプタマーなどに代表される核酸医薬が次々と実用化されている。ＲＮＡ修飾は、細胞内におけるＲＮＡ医薬の安定性や自然免疫の回避などの重要な機能が知られており、本研究で報告したＵｐ修飾が将来的にＲＮＡ医薬に応用されることが期待される。
東京大学 大学院工学系研究科 化学生命工学専攻の大平 高之 助教、蓑輪 恵一 大学院生、鈴木 勉 教授のグループは、超好熱性アーキアのｔＲＮＡの可変ループ内の４７位から新規のＲＮＡ修飾である２′リン酸化ウリジン（Ｕｐ）を発見した。生化学的な解析から、この修飾がｔＲＮＡに熱安定性に寄与し、さらにＲＮＡ分解酵素に対する耐性を付与していることを明らかにした。
Ｕｐ修飾によるｔＲＮＡ構造の安定化機構を解明するため、東京大学 大学院新領域創成科学研究科 メディカル情報生命専攻の富田 耕造 教授らと共同で、Ｘ線結晶構造解析を行い、アーキアｔＲＮＡの立体構造を１．９Åの高分解能で決定した。Ｕｐ修飾は可変ループにフレキシビリティを与えるとともに、主鎖の回転を防ぐことで“南京錠”のようにｔＲＮＡのコア領域が熱変性するのを防ぐ働きがあることが示された。実際に、結晶構造の中に、Ｕｐ修飾によって安定化された非標準的なコア構造を持つｔＲＮＡ分子が見いだされている。すなわち、Ｕｐ修飾が準安定なコア領域の構造を安定化することでｔＲＮＡの熱変性を防ぐという、これまでに知られていなかったＲＮＡ構造の安定化原理を見いだした。
さらに研究グループは、Ｕｐ修飾酵素（ｗｒｉｔｅｒ）としてＡｒｋＩを同定し、東京工業大学 生命理工学院の福居 俊昭 教授らとの共同研究により、アーキアの遺伝学的な解析を行うことで、Ｕｐ修飾が超好熱性アーキアの高温環境への適応に寄与していることを明らかにした。
また、生化学的解析から、ＡｒｋＩはたんぱく質リン酸化酵素ファミリーに属する新規のＲＮＡリン酸化酵素であり、速度論的解析から、リン酸化反応の律速はＡＴＰ濃度であり、細胞内のエネルギー状態を感知してＵｐ修飾が導入される可能性が示唆された。さらに、Ｘ線結晶構造解析により、ＡｒｋＩの立体構造（１．８Å）が解かれ、活性中心の構造やＲＮＡの認識に重要なアミノ酸残基が特定された。
さらに、研究グループはＵｐ修飾の脱リン酸化酵素（ｅｒａｓｅｒ）として、ＫｐｔＡを特定し、速度論的解析から、ＫｐｔＡがｔＲＮＡからＵｐ修飾を効率よく脱リン酸化する活性を持っていることを突き止めた。さらに、ＫｐｔＡが細胞内においてもＵｐ修飾のｅｒａｓｅｒとして働くことを証明した。この結果は、ＡｒｋＩとＫｐｔＡの両方を持つ生物種においてはｔＲＮＡの構造や機能がＵｐ修飾によって可逆的に調節されている可能性を強く示唆する。
たんぱく質や生体内のさまざまなメタボライトの機能や代謝が、リン酸化と脱リン酸化によって、ダイナミックに調節されていることは、生化学や分子生物学の基本的な概念としてよく知られているが、ＲＮＡのリン酸化修飾は今日に至るまで見過ごされていた。本研究は、ＲＮＡの可逆的なリン酸化修飾を世界で初めて見いだし、この修飾によってＲＮＡの機能や構造が調節されること、さらには、極限環境生物の環境適応に寄与することを明らかにした。本研究成果は、ＲＮＡ修飾によるエピトランスクリプトミックな遺伝子発現の調節機構の理解や、ＲＮＡ修飾が担う生命の適応進化の理解に貢献するものである。本研究成果は２０２２年４月２７日（英国夏時間）に科学誌「Ｎａｔｕｒｅ」のオンライン版に掲載される予定である。
本研究は、日本学術振興会（ＪＳＰＳ）の基盤研究（Ｓ）「ＲＮＡエピジェネティックスと高次生命現象」（代表：鈴木 勉、２６２２０２０５）、基盤研究（Ｓ）「ＲＮＡ修飾の変動と生命現象」（代表：鈴木 勉、１８Ｈ０５２７２）、新学術領域研究（研究領域提案型）「ｎｃＲＮＡのケミカルタクソノミ」（代表：鈴木 勉、２６１１３００３）、基盤研究（Ａ）「高次生命現象を制御する鋳型非依存的ＲＮＡ合成酵素の構造と機能」（代表：富田 耕造、１８Ｈ０３９８０）、新学術領域研究（研究領域提案型）「ｎｃＲＮＡ作動エレメントの配列構造の同定」（代表：富田 耕造、２６１１３００２）、若手研究（Ｂ）「ｔＲＮＡの新規成熟経路の解析と５’キャップによる成熟制御機構の解析」（代表：大平 高之、２６８４０００５）、若手研究（Ａ）「Ｐｒｅ－ｔＲＮＡ ｃａｐｐｉｎｇが関与する遺伝子発現制御機構の探究」（代表：大平 高之、１７Ｈ０４９９７）、特別研究員奨励費「ｔＲＮＡ安定化に寄与するリン酸化修飾を触媒する新規酵素ＡＲＫＩの分子機構の解明」（代表：蓑輪 恵一、１９Ｊ２０７２３）、および科学技術振興機構（ＪＳＴ）の戦略的創造研究推進事業（ＥＲＡＴＯ）「鈴木ＲＮＡ修飾生命機能プロジェクト」（研究総括：鈴木 勉、ＪＰＭＪＥＲ２００２）の支援を受けて実施された。
＜プレスリリース資料＞
- 本文 ＰＤＦ（１．１１ＭＢ）
＜論文タイトル＞
- “Reversible RNA phosphorylation stabilizes tRNA for cellular thermotolerance”
- ＤＯＩ：10.1038/s41586-022-04677-2
＜お問い合わせ先＞
-
＜研究に関すること＞
鈴木 勉（スズキ ツトム）
東京大学 大学院工学系研究科 化学生命工学専攻 教授
E-mail：ts
chembio.t.u-tokyo.ac.jp大平 高之（オオヒラ タカユキ）
東京大学 大学院工学系研究科 化学生命工学専攻 助教
Tel：03-5841-1260
E-mail：ohira_tchembio.t.u-tokyo.ac.jp富田 耕造（トミタ コウゾウ）
東京大学 大学院新領域創成科学研究科 メディカル情報生命専攻 教授
Tel：04-7136-3611
E-mail：kozo-tomitaedu.k.u-tokyo.ac.jp -
＜ＪＳＴ事業に関すること＞
加藤 豪（カトウ ゴウ）
科学技術振興機構 研究プロジェクト推進部 グリーンイノベーショングループ
〒102-0076 東京都千代田区五番町７ Ｋ’ｓ五番町
Tel：03-3512-3528 Fax：03-3222-2068
E-mail：eratowwwjst.go.jp -
＜報道担当＞
東京大学 大学院工学系研究科 広報室
Tel：03-5841-0235
E-mail：kouhoupr.t.u-tokyo.ac.jp科学技術振興機構 広報課
〒102-8666 東京都千代田区四番町５番地３
Tel：03-5214-8404 Fax：03-5214-8432
E-mail：jstkohojst.go.jp