大型放射光施設 SPring-8

　生物の生命活動をおもにコントロールしているのは、タンパク質である。タンパク質は、わずか20種類のアミノ酸からできており、 DNAの遺伝情報にもとづいて合成される。この過程を翻訳と呼ぶ。翻訳のときには転移RNA(tRNA)が仲介役となってDNAの塩基情報をタンパク質のアミノ酸と結び付ける。特定のアミノ酸を、対応するtRNAに正しく結合させることで遺伝暗号表を構築しているのが、アミノアシルtRNA合成酵素と呼ばれる酵素群である。
　多くの生物は20種類のアミノ酸に対応して20種類の合成酵素をもっている。合成酵素のうちの1つシステイニルtRNA合成酵素(CysRS)はシステイン(Cys)をシステイン専用のtRNA(tRNA^Cys)に結合させ、Cys-tRNA^Cysを合成する酵素である（図1）。ところが進化的に古い特徴をもったある種の細菌はCysRSをもっていない。その代わり、そのような生物はホスホセリルtRNA合成酵素(SepRS)と呼ばれる他の一般的な生物にはない酵素をもっている。SepRSは標準的な20種類のアミノ酸のいずれとも異なるアミノ酸であるリン酸化セリン(Sep)をtRNA^Cysに結合させSep-tRNA^Cysを生成する。Sep-tRNA^Cysはその後別の酵素であるSepCysSにより最終産物であるCys-tRNA^Cysへと変換される（図1）。初期の生命の遺伝暗号表においてはSepRSとSepCysSがCys-tRNA^Cys生成を担っていたが、進化に伴って登場したCysRSがCys-tRNA^Cys生成の役割を引き継いだと考えられる。したがってSepRSは生命の遺伝暗号表進化における「生きた化石」であると考えられている。ここで、SepRSがいったいどのような形をしていて、どのようにリン酸化セリンやtRNA^Cysを認識するのか、は分かっていなかった。それらを解明することで生命の遺伝暗号表進化の歴史の一端が明らかになることが期待された。
　研究グループは、SepRSがリン酸化セリンおよびtRNA^Cysと結合した状態での複合体立体構造を、大型放射光施設（SPring-8）の構造生物学IビームラインBL41XUを利用し、0.26 ナノメートル分解能で観測することに成功した（図2）。
　その結果、SepRSはN端ドメイン、触媒ドメイン、挿入ドメイン、C端ドメインの4つのドメインからなることが分かった。触媒ドメインにおいて、リン酸化セリンを厳密に認識している様子が観測された。またSepRSのC端ドメインがtRNA^Cysを厳密に認識している様子も明らかになった。
　さらに明らかになった原子構造をもとにして、人工的な遺伝暗号拡張に利用可能な「サプレッサーtRNA」にリン酸化セリンを結合させることのできるような改変SepRSを創出することに成功した。今後はこの改変SepRSを用いて、遺伝暗号表を人工的に拡張し、リン酸化セリンをタンパク質に部位特異的に導入する技術の開発研究に力を入れていく予定である。このような技術が実現されると、タンパク質内のセリンのリン酸化というヒトの病気などに深く関わる重要な現象についての研究が飛躍的に進むことが期待される。この研究は、我が国で推進している「タンパク3000プロジェクト」の成果の1つである。
　本研究成果は、2007年3月12日午前3時（日本時間）、米国科学誌「Nature Structural & Molecular Biology」のオンライン版に掲載される。

（論文）
"Structural insights into the first step of RNA-dependent cysteine biosynthesis in archaea"
Ryuya Fukunaga & Shigeyuki Yokoyama
Nature Structural & Molecular Biology，published online: 11 March 2007