ハイライト

生物が新しいアミノ酸を獲得するしくみ

2010年11月25日

生物の体の大部分はアミノ酸がつながってできたタンパク質からできています。タンパク質は20種類のアミノ酸の組み合わせによって作られ、ヒトの体内で作られているタンパク質は10万程もあるといわれています。タンパク質の種類の多さと複雑さは、その部品であるアミノ酸の種類が多くあるためです。生物は最初から今のように20種類のアミノ酸を持っていたのではなく、進化とともに徐々にアミノ酸の種類を増やし、より複雑なタンパク質を作り出していったと考えられています。

今回紹介する研究は、普通とはちょっと違う方法でアミノ酸を作り出している酵素のお話です。わたしたち真核生物より原始的な生物の真正細菌が持つこの方法は、生物が新しい種類のアミノ酸をどのように獲得してきたのか、進化の一コマまで垣間見せてくれます。

DNAからタンパク質を作る

生物の設計図であるDNAには、どんなタンパク質を作るかという情報が書かれています。タンパク質が作られるときには、必要に応じてほどけたDNAを鋳型にしてG,C,C,A,U…と情報のコピーが作られます。このコピーが伝令RNA（mRNA）で、文字列の３文字を１組（コドン）にして、それが１つのアミノ酸へと変換されます。こうして次々と変換されたアミノ酸が鎖のように連なり、タンパク質になります。

文字列からアミノ酸へ変換する時、アダプターのように働くのが転移RNA（tRNA）です。tRNAの中には３文字のコドンと対になるアンチコドンがあり、この２つが正しくペアになることで、コドンの情報がtRNAに読みとられます。一方、アミノ酸はそれぞれに対応するtRNAにくっつき、アミノアシルtRNAを作ります。

ここでアミノ酸のtRNAへの付加が正しいペアで起こることが、正確なタンパク質合成の大前提となります。この反応を担うアミノアシルtRNA合成酵素は20種類のアミノ酸それぞれに専用のものが用意されていて、アミノ酸とtRNAが正しいペアを組むようになっています。

しかし、多くの真正細菌にはアミノ酸の一種グルタミン（Gln）をtRNAに付加するアミノアシルtRNA合成酵素であるGlnRSが存在しません。もちろん真正細菌の遺伝子にもグルタミンに対応する情報が書かれていますし、タンパク質の部品としてグルタミンが使われているのにもかかわらずです。彼らは一体どのようにしてグルタミンをタンパク質の部品にしているのでしょうか。

似たアミノ酸で代用し、あとから修正

20種類のアミノ酸の中には、グルタミンによく似た「グルタミン酸（Glu）」があります。グルタミン酸の-OH（ヒドロキシル基）が-NH₂（アミノ基）になっているのがグルタミンです（図１）。GlnRSのない真正細菌では、グルタミン用のアダプターtRNA^Glnにも、グルタミン酸用のアダプターtRNA^Gluにも、どちらにもグルタミン酸（Glu）が付加されることが分かっていました。正しいペアを付加する酵素が無いので、似ているグルタミン酸を代わりにくっつけてしまおう、といった模様です。しかし似ているとは言っても間違えているペアですから、「アミノ酸とtRNAが正しくペアを組む」という正しいタンパク質合成の大前提が崩れてしまっています。

正しいタンパク質を作るにはどうしているのでしょうか。誤ったペアGlu-tRNA^GlnにはGatCABという酵素が働いて、グルタミン酸 （Glu） の-OHを-NH₂に変換しているのです。これは、わざと間違えたペアを作り、後から修正するという、少し変わったやり方です。

初めて見えた巨大分子

GatCABはどうやって誤ったペアを見分けて、修正を行なっているのでしょうか。東京大学の横山茂之（よこやま・しげゆき）兼任教授と伊藤拓宏（いとう・たくひろ）特任助教らの研究チームは、まず真正細菌から取り出したグルタミン用のtRNA^Gln、グルタミン酸用の（誤ったペアを作る）アミノアシルtRNA合成酵素GluRS、そしてアミノ基への変換を行なう酵素GatCABの三者の結合状態を調べました。その結果三者は安定した巨大な複合体を作ることがわかり、これを「グルタミン・トランスアミドソーム」（グルタミンを作り出すためにグルタミン酸にアミノ基を転移する複合体という意味）と名付けました。

次に研究チームはこの巨大な複合体の結晶を作ることに成功し、KEKフォトンファクトリーのAR-NE3AとSPring-8の放射光を用いたＸ線結晶解析装置で、その立体構造を調べました（図２）。

グルタミン用tRNA^Gln（黄）にグルタミン酸用の酵素GluRS（水色）がくっついている時、これは誤った組み合わせなので、すぐに修正する必要があります。修正する酵素GatCABの一部であるGatB（ピンク）は、tRNAのL字型の構造の外側の部分を見分けて、修正の必要なtRNA^Glnであるか、修正不要のtRNA^Gluであるかを判断していることがわかりました。

しかし、修正されるべきグルタミン酸は、tRNAのL字型の末端部分に付いていて、修正する酵素のGatCABとは遠いところにあるように見えます。いったいどのようにして、GatCABは、tRNAの末端にあるグルタミン酸にアクセスしているのでしょうか。

他の生物種のGatBや以前にフォトンファクトリーのAR-NW12Aで構造解析した単体のGluRSの構造と比較すると、どちらにも蝶つがいのような構造があることが分かりました（図３）。すなわち、２つの酵素は、tRNAに結合したまま大きく折れ曲がることで、グルタミン酸が結合している部分にアクセスできるようになっていたのです（図４）。

今回の研究でわかったしくみは、生命が新しいアミノ酸をタンパク質の部品として獲得するひとつの戦略を見せてくれています。新しいアミノ酸を取り入れることは、タンパク質のバリエーションが増えることにつながりますが、同時に誤ったタンパク質を作ってしまう大きなリスクも抱えています。

「生物がリスクを冒しながらも、新たなアミノ酸を獲得してきた、ということは研究者の間では知られていました。でも、生物が生き残るにはそんなに無謀なことはしない、きっとリスクを軽減するしくみがあるはずだと思っていました」そう語っていた伊藤さんにとっても、この蝶つがいの巧妙な動きは予想外だったようです。

この研究は「ターゲットタンパク研究プログラム」、および「日本学術振興会 科学研究費補助金 基盤研究(A)」の一環として行われたもので、英国の科学雑誌「Nature」の9月29日版に掲載されました。