病原性細菌と植物に共通の新規tRNA修飾

東京大学 大学院工学系研究科の宮内 健常 特任研究員、秋山 奈穂 大学院生、鈴木 勉 教授らの研究グループと、Ｂｒｉｇｈａｍ ａｎｄ Ｗｏｍｅｎ’ｓ Ｈｏｓｐｉｔａｌの木村 聡 講師（研究当時、現：コーネル大学 准教授）、Ｍａｔｔｈｅｗ Ｋ． Ｗａｌｄｏｒ 教授の研究グループは、東京大学 大学院工学系研究科の岡本 晃充 教授、理化学研究所 生命機能科学研究センターの白水 美香子 チームリーダー、千葉大学 大学院園芸学研究院の相馬 亜希子 講師らと共同で、ｔＲＮＡのアンチコドンから新規シチジン修飾である２－アミノバレラミジジン（ａｖａ^２Ｃ）を発見し、クライオ電子顕微鏡を用いた構造解析により、リボソーム上でこの修飾がＡＵＡコドンを解読する仕組みを明らかにしました。

ｔＲＮＡはたんぱく質合成においてコドンを解読する重要な役割を担う短いＲＮＡ分子であり、多様な化学修飾が数多く施されることが知られています。特に、アンチコドン領域にはさまざまな修飾が見られ、ｔＲＮＡがアミノ酸を受容するアミノアシル化や、リボソーム上において、ｍＲＮＡのコドンを読み取る際に重要な役割を担うことで、正確で効率の良いたんぱく質合成を可能にしています。

大腸菌を代表とする多くの細菌において、ＡＵＡコドンをイソロイシン（Ｉｌｅ）に解読するｔＲＮＡ（ｔＲＮＡ^Ｉｌｅ２）のアンチコドン１字目（３４位）にシチジン（Ｃ）の修飾体であるライシジン（Ｌ）が見つかっています。Ｌは、ｔＲＮＡ^Ｉｌｅ２がＩｌｅを受容し、ＡＵＡコドンを認識するための必須の修飾であることが分かっています。Ｌの修飾酵素はほぼ全ての細菌に存在することから、Ｌは細菌に共通のｔＲＮＡ修飾であると考えられてきました。一方で、アーキア（古細菌）ではｔＲＮＡ^Ｉｌｅ２にアグマチジン（ａｇｍ^２Ｃ）と呼ばれる別のシチジン修飾が存在し、Ｌと同様の働きをしています。また、植物のオルガネラであるミトコンドリアと葉緑体のｔＲＮＡ^Ｉｌｅ２も何らかのシチジン修飾を利用してＡＵＡコドンをＩｌｅに解読すると推定されてきましたが、その化学構造は不明でした。

本研究では、ホウレンソウの葉緑体およびミトコンドリアから単離したｔＲＮＡ^Ｉｌｅ２に含まれる塩基修飾をＲＮＡ質量分析法により調べ、アンチコドンの３４位に新たな修飾体を発見しました。この修飾はシチジンに５－アミノバレラミドという化合物が結合した化学構造を持つことが分かり、２－アミノバレラミジジン（ａｖａ^２Ｃ）と命名しました。ａｖａ^２Ｃは、長い側鎖を持つ点でＬに類似していますが、側鎖の末端は異なる化学構造を持っています。

他の生物についてもｔＲＮＡ^Ｉｌｅ２の修飾を調べたところ、シロイヌナズナやタバコなどの高等植物、原始的な藻類である紅藻のほか、意外なことに緑膿菌やコレラ菌など一部の細菌にもａｖａ^２Ｃが見つかりました。Ｌ同様、ａｖａ^２ＣはｔＲＮＡ^Ｉｌｅ２がＩｌｅを受容するために必要であり、さらにＡＵＡコドンの解読に欠かせない修飾であることが分かりました。

さらに、ａｖａ^２ＣがＡＵＡコドンの読み取りにどのように関わるかを調べるために、クライオ電子顕微鏡によりコドン－アンチコドン相互作用の構造を可視化しました。その結果、ＡＵＡコドン３字目のアデニンとａｖａ^２Ｃが１本の水素結合を介した特殊な配向で対合すること、ａｖａ^２Ｃの側鎖がこの対合の安定化に寄与することが示されました。生物種により異なるｔＲＮＡ修飾を用いてコドン解読が微調整されていることが示唆されました。

さまざまなｔＲＮＡ修飾によってたんぱく質合成の精度や効率が制御されることが知られている一方、生物種ごとにどの修飾を用いてどのようにたんぱく質合成の精度や効率を制御しているかについては未解明な部分が多いのが現状です。本研究は未知のＲＮＡ修飾レパートリーによるたんぱく質合成制御機構の一端を明らかにした成果といえます。また、コレラ菌や緑膿菌などの病原性細菌がａｖａ^２Ｃを持つことから、新しい抗生物質の開発など創薬のターゲットとしても期待できます。

本研究成果は、２０２４年９月１９日（英国夏時間）に「Ｎａｔｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｂｉｏｌｏｇｙ」に公開されます。