大型放射光施設 SPring-8

公開日

2004年02月07日

平成16年2月7日
独立行政法人理化学研究所

１． 背　景
　ウイルスからヒトに至る多くの生物は遺伝子；DNAを持っています。DNA上の遺伝情報は、メッセンジャーRNA（mRNA）へと転写された後、タンパク質へと翻訳されることにより、細胞あるいは生命体全体に伝達されます。この「DNA→mRNA→タンパク質」という細胞内における遺伝情報の伝達は、生命の営みの基本的かつ普遍的な反応であるため、“分子生物学のセントラルドグマ”と呼ばれています。したがって、これらの反応の詳細なメカニズムを解明できれば、生命現象の根本を理解することができます。
　RNAポリメラーゼは、DNAからmRNAへの転写反応を直接つかさどっている重要なタンパク質です。RNAポリメラーゼは、まず、プロモーターと呼ばれる、遺伝子の上流に位置する特徴的な部分に結合します。そして、DNA上を下流に向かってスライドしながら、DNAの片方の鎖を鋳型とし、これに対する相補的な塩基；リボヌクレオチドを順番に一つづつ正確につなげ、RNAを合成します。タンパク質はこのRNAをもとに合成されます。
　細菌から高等生物に至る多くのRNAポリメラーゼは多数のポリペプチド鎖（マルチサブユニット^※3）から成る巨大で複雑な構造をしたタンパク質であるのに対し、細菌に感染するウイルスの一種である、T7ファージ由来のRNAポリメラーゼ（T7RNAポリメラーゼ；分子量98 kDa）は単一のポリペプチド鎖から成る、比較的小さな、単純な構造をしたタンパク質です。興味深いことに、両者共に同様のメカニズムで転写反応を行っていることが明らかになってきました。そこで、研究グループでは、T7RNAポリメラーゼをモデルとして用い、RNAが合成されるメカニズムの解明を試みました。

２．研究手法と成果
　研究グループは、T7RNAポリメラーゼ、転写反応を反映するようにデザインした18塩基対からなるDNA：RNAハイブリッド分子、及び、合成されるRNAの構成単位；リボヌクレオチドの一つであるATPの非加水分解型疑似物質；α,β-メチレンATP（AMPcPP）とが結合した複合体の結晶、すなわちDNAに結合してRNAを合成している途上にあると考えられるRNAポリメラーゼの結晶を単離しました。この複合体の結晶を、大型放射光施設（SPring-8）の理研構造生物学ビームライン；BL26を用いてＸ線回折データを収集し、その結果を基に複合体の立体構造を決定しました。 SPring-8の高輝度の放射光を用いることによって、3.0Å^※１(オングストローム)（＝3.0ｘ10^-10メートル）以上という、分解能の高い（精密な）Ｘ線回折データを得ることができました。
　複合体の立体構造を解析した結果、AMPcPPは、DNA：RNAハイブリッド分子上のDNA鎖の相補ヌクレオチドと塩基対を形成し、さらに、T7RNAポリメラーゼ分子上のＹヘリックス^※２と呼ばれる部分に結合していました。興味深いことに、本複合体中のT7RNAポリメラーゼ分子は、非活性型である“開いた”構造（図の左）をしていました。すなわち、T7RNAポリメラーゼは、活性型である“閉じた”構造（図の右）へ変化する前に、Yヘリックス；“プレセレクションサイト”で正しいヌクレオチドを識別していると考えられます。一方、T7RNAポリメラーゼは、DNAの複製をつかさどる酵素の一つであるDNAポリメラーゼIと構造上の類似点がありますが、DNAポリメラーゼIの場合は、活性型である“閉じた”構造に変化した際に正しいヌクレオチド（この場合はDNAの構成単位であるデオキシリボヌクレオチド）が識別されるので、T7RNAポリメラーゼによるRNA合成のメカニズムと異なっています。
　T7RNAポリメラーゼ上の“プレセレクションサイト”に相当すると考えられる部分がマルチサブユニット型RNAポリメラーゼ^※３にも見つかっているので、今回の発見は、生物種を超えた普遍的な転写反応の原子レベルでの理解につながると考えられます。

３．今後の展開
　DNAからmRNAへの転写反応は、“分子生物学のセントラルドグマ”の最初のステップに相当します。今回、その基本的なメカニズムを原子レベルで明らかにしたことで、普遍的な生命現象の理解が一歩進んだといえます。現在、マルチサブユニット型RNAポリメラーゼを材料にして、さらに知見を深めるよう研究を進めています。　
　一方、RNAポリメラーゼはすべての生物の生命活動に必須なタンパク質であるため、抗生物質のターゲットになります。本研究で明らかになった立体構造から得られる知見を生かして、真核生物と原核生物のRNAポリメラーゼ構造の微妙な差異に着目し、病原性細菌を含む原核生物のポリメラーゼにだけ特異的に結合する化合物を作ることで抗生物質として利用できる可能性があります。このような新たな抗生物質や活性制御物質の創製といった医療への応用を目指した研究も飛躍的に進展するものと期待されます。

<補足説明>

※１　Å（オングストローム）
　長さの単位で、１オングストロームは1ｘ10^-10メートル（＝0.1ナノメートル）。
タンパク質の立体構造解析においては、解析した構造の分解能を表す単位として用いられ、数字が小さいほどより精度の高い高解像度の立体構造であることを示す。

※２　へリックス
　タンパク質のとる高次構造の１つ。アミノ酸3.6残基で1回転するらせん形構造で、１残基あたり1.5Åのすすみをもつ。

※３　マルチサブユニット型RNAポリメラーゼ
　原核細胞のRNAポリメラーゼの多くは、α，β，β'，σ，ωの５種類のサブユニットから成る、分子量約45万のタンパク質。真核細胞のRNAポリメラーゼの多くは、約10種類のサブユニットから成る、さらに複雑な構造を持つ。