京都産業大学 生命科学研究科・タンパク質動態研究所の千葉 志信 教授の研究グループが、タンパク質局在化装置関連遺伝子の上流にコードされた新規翻訳アレスト因子を新たに3つ同定し、これらの因子が自身の翻訳伸長を制御するメカニズムの一端を明らかにしました。
本研究成果は、2021年1月27日付けで、英国科学誌「Nucleic Acids Research」の電子版に掲載されました。

多くのタンパク質は、合成が完了し、立体構造を形成した後に生理機能を発揮します。ところが近年、合成途上の新生鎖の状態で生理機能を発揮する「機能性新生鎖」と呼ばれるユニークなタンパク質がいくつも見出されました。これらは、合成後に生理機能を発揮する一般的に知られたタンパク質とは全く異なる様式で働く、新しいタイプのタンパク質です。この機能性新生鎖は、自身の合成（翻訳）を行うリボソーム（※１）に働きかけ、その翻訳伸長（※２）を一時停止（アレスト）させる性質を共通に有しており、「翻訳アレスト因子」とも呼ばれます（図１）。多くのものは、細胞内の環境変化に応答して遺伝子発現制御を行い、細胞の機能を調節します。中でも、タンパク質局在化装置（※３）の活性を監視し、その恒常性（※４）を維持する機能性新生鎖が、これまで3種類見出されていました。そのうちのひとつ、枯草菌MifM（※５）は、当研究グループが過去に見出したものです。
今では、真正細菌（バクテリア）などの微生物からヒトや植物などの真核生物に至るまで、生物種のカテゴリーを超えて様々な翻訳アレスト因子が見出されています。つまり、翻訳アレスト因子は生物界に普遍的に存在し、様々な生物において、細胞の機能調節に関与することが分かってきています。しかしながら、どれほど多くの翻訳アレスト因子が生物界に存在し、その分子機構や生理機能にはどのような共通性や多様性があるのかについては、まだはっきりしていません。これらの疑問の答えを得るためには、未だ見つかっていない翻訳アレスト因子をできるだけ多く見つけ、その分子機構や生理機能を解明し、それぞれを比較し共通性や多様性を明らかにする必要があります。本研究では、新規アレスト因子を新たに3つ同定し、そのアミノ酸配列の一部に類似性があることを発見しました。

研究チームは、情報生物学の手法を用い、400以上の真正細菌のゲノム情報から、過去に見出された機能性新生鎖と共通の特徴を持つ遺伝子の網羅的な探索を試みました。そこから得られた候補遺伝子について遺伝学および生化学的な解析を行い、3つの新規翻訳アレスト因子（それぞれ、ApcA、ApdA、ApdPと命名）を同定することに成功しました。ApcA、ApdAは放線菌から、また、ApdPは根粒菌からそれぞれ見出されました。翻訳アレストの分子機構を明らかにするために、網羅的な変異解析を行い、いずれも、合成途上の新生ポリペプチド鎖（※６）が、翻訳伸長の途上で自身を合成するリボソームと相互作用することで翻訳アレストを引き起こしていることを見出しました。また、新規に見出されたこれら3種の翻訳アレスト因子が、互いに類似のアミノ酸配列を有していること、さらに、この類似配列が、いずれの因子の翻訳アレストにおいても極めて重要な役割を果たしていることも明らかにしました（図２）。このことは、異なる翻訳アレスト因子間に共通の分子機構が存在していることを示唆しています。今回の発見は、類似の配列を持つ翻訳アレスト因子が、細菌の進化の過程で独立に生じたことを示唆する初めての報告例であり、この新たな知見は、翻訳アレスト因子の分子進化を理解する上で大変興味深いものであると思われます。

1. リボソーム

細胞内でmRNAの塩基配列に基づいてタンパク質を合成する装置。

2. 翻訳伸長

リボソームがmRNAの塩基配列（遺伝情報）に基づいてタンパク質を合成する過程を翻訳といい、その過程でアミノ酸がひとつずつ連結されてタンパク質の鎖が作られていくことを翻訳伸長という

3. タンパク質局在化装置

ここでは、タンパク質の生体膜を超えた輸送や生体膜への挿入を媒介する装置を指す。

4.恒常性

何かを一定に保つ性質のこと。ここでは、タンパク質局在化装置の活性を常に生育に十分なレベルに保つことを指す。

5.MifM

千葉らが過去に発見した機能性新生鎖。枯草菌細胞内で、翻訳アレスト機構を巧みに利用し、特定のタンパク質の局在化装置の活性を監視し、その働きを一定に保つ機能を担う。

6. 新生ポリペプチド鎖

ここでは、リボソームによって合成されつつあるタンパク質の合成中間体を指す。アミノ酸がひとつずつ連結されてタンパク質ができてゆく、その合成途上のタンパク質。

論文タイトル	「Search for translation arrest peptides encoded upstream of genes for components of protein localization pathways」
掲載誌	Nucleic Acids Research
掲載日	2021年1月27日
著者	崎山 歌恋、下川-千葉 直美、藤原 圭吾、千葉 志信
DOI	10.1093/nar/gkab024.

本研究は、科研費（16H04788, 20H05926, 26116008, 19K16044）の支援を受けて実施しました。