tRNA前駆体が生育温度を感知する

東京大学 大学院工学系研究科の大平 高之 助教、鈴木 勉 教授らの研究グループは、出芽酵母において、トランスファーRNA（tRNA）の前駆体（pre-tRNA）が熱ストレスに応答して積極的にキャップ修飾されることを発見しました。また、その形成機構を解明するとともに、キャップ修飾がpre-tRNAの安定化に寄与することを明らかにしました。さらに、熱ストレス下で蓄積したキャップ化pre-tRNAがたんぱく質合成を抑制することを見いだしました。加えて、キャップ化pre-tRNAを網羅的に解析することで、全tRNA遺伝子の転写単位を特定し、高精度な転写地図を作成しました。

たんぱく質合成において、tRNAはリボソーム上でメッセンジャーRNA（mRNA）のコドンを読み取り、対応するアミノ酸を運ぶアダプター分子として機能します。研究グループはこれまでに、出芽酵母においてpre-tRNAの一部にキャップ修飾が付加されることを発見し、この現象を「pre-tRNAキャッピング」と名付けました。しかし、pre-tRNAキャッピングがどのような条件で起こり、細胞内でどのような役割を果たしているのかは不明でした。そこで本研究では、pre-tRNAキャッピングが誘導される生育条件を明らかにするとともに、その生物学的意義の解明に取り組みました。

出芽酵母の至適生育温度は30℃ですが、37℃で培養するとキャップ化pre-tRNAが顕著に増加することが分かりました。そこで研究グループは、キャップ化された低分子RNAを網羅的に解析する新手法CaSh-seq（Capped Short RNA-sequencing）法を開発し、キャップ化pre-tRNAの全体像を調べました。この解析により、各tRNA遺伝子の転写開始点から転写終結領域までを含む転写単位が正確に決まり、全tRNA遺伝子の転写地図が作成されました。その結果、ほぼ全てのtRNA種がキャップ化されることが明らかになりました。さらに、熱ストレス下では、分解されやすいtRNA種ほどキャップ化される傾向が認められました。この結果は、キャップ修飾がこれらのtRNAを優先的に分解から保護する役割を担うことを示しています。さらなる解析の結果、pre-tRNAキャッピングの効率はpre-tRNAの5′末端構造の柔軟性に依存することが明らかになりました。このことから、高温環境下ではpre-tRNAの5′末端構造が緩み、キャップ化酵素がアクセスしやすくなることで、pre-tRNAキャッピングが促進されると考えられます。次に、細胞内でキャップ化pre-tRNAと相互作用するたんぱく質を解析したところ、翻訳開始因子eIF4Eと結合することを突き止めました。さらに、キャップ化pre-tRNAがeIF4Eを捕捉することで、mRNAの翻訳開始を阻害し、たんぱく質合成を抑制することを明らかにしました。

これらの結果は、pre-tRNAが単なるtRNAの前駆体ではなく、熱ストレスに応答してキャップ化されることで翻訳開始因子を捕捉し、たんぱく質合成を抑制する機能性RNAとして働くことを示しています。すなわちpre-tRNAが細胞環境の変化を感知するセンサー分子として機能し、遺伝子発現を直接制御する新たな翻訳調節因子であることを明らかにしたものです。

本研究成果は、2026年8月7日（現地時間）付で科学誌「Nature Communications」に掲載されました。