Viva Origino Vol.40 No.4
2つのtRNA/mRNAハイブリッドによる
トランストランスレーション

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姫野俵太
弘前大学 農学生命科学部 分子生命科学科
〒036-8561 青森県弘前市文京町3
E-mail: himeno@cc.hirosaki-u.ac.jp

   tmRNAは機能分子tRNAと情報分子mRNAのハイブリッドである。tRNAと同じように、3’末端にアラニンを結合するが[1]、アンチコドンはないので情報を読みとることはできない。タグペプチドと呼ばれる10残基程度のペプチドをコードしているが、通常の(開始コドンから始まる)翻訳はされない。そして、2つの機能は連携してトランストランスレーション、すなわちmRNA上でストップしている翻訳をtmRNAが引き継ぐ形でトランスに翻訳が行われ、その結果2本のRNAから1本のキメラペプチドの合成が行われる[2-5]。キメラペプチドのC末端のタグペプチドはプロテアーゼのシグナルとなっており、トランストランスレーションにより作られたキメラペプチドは細胞内で優先的に分解を受ける。それまでタンパク質合成が停滞する状況は想定されていなかっただけに、トランストランスレーションの発見は「翻訳停滞解消機構」という新たな命題を提起することとなった[5-7]。その後の研究により、トランストランスレーションは翻訳停滞解消機構を基礎として、ストレス応答[8,9]や細胞分化[10]をはじめとした細胞内における様々な生理機能に深く関わっていることが明らかになってきており、新しいタイプの遺伝子発現調節機構を担っているとも考えられるようになってきた[11]。
   250-400ヌクレオチドからなるtmRNAの両末端付近の二次構造は、tRNAのクローバーリーフ構造の上半分とそっくりであり、しかもそこには3’末端のCCA配列などのtRNAに保存されている配列や修飾塩基が存在する[1,12]。この構造に挟まれた中央部分には、4個のシュードノット構造に囲まれるようにタグペプチドのコード領域が位置する[13-16]。tRNAの上半分を擬態している構造は、RNase Pによるプロセッシング、AlaRSの認識、EF-Tuの結合、そしてリボソームへの結合にとって重要なものとなっている[1,17]。なお、キメラペプチドの最初のAla残基は、mRNAにもtmRNAにもコードされておらず、tmRNAにアミノアシル化していたAlaに由来する[18]。
   リボソームへのtmRNAの結合にとってもう一つ重要な因子は、tmRNA特異的結合タンパク質SmpBである。翻訳がストップしているリボソームには、tmRNA はSmpB・EF-Tu・GTPと複合体を組んで入り込む[19,20]。SmpBはN末端側の球状ドメインとC末端側のunstructuredなテイルからなる。球状ドメインがtRNAの下半分と構造が似ていることは以前から指摘されていたが、Directed hydroxyl radical probingの結果、Aサイトの下半分およびPサイトの下半分の合計2カ所に、tRNAが結合するときと同じような形でSmpBが結合する部位があることが明らかになった[21]。そしてunstructuredなC末端テイルは、リボソーム上のmRNAパスに沿って、AサイトのSmpBにおいては下流方向にextendした状態で、PサイトのSmpBにおいてはfoldした状態で位置していることが明らかになってきた。
   以上の実験結果をふまえ、SmpBはtRNAの下半分とmRNAを擬態することでトランストランスレーションを行うというモデルを提唱した[21,22]。トランストランスレーションのさいにはSmpBはtmRNAと合体しているので、併せてtRNA全体とmRNAを擬態するということになる。Aサイト下流でC末端テイルがextendしていることにより、tmRNA・SmpBがAサイト付近でmRNAが切断されることにより翻訳がストップしているリボソームを優先的に認識することが可能になる[23,24]。一方、PサイトにおいてSmpB のC末端テイルがfoldしていることは、トランスロケーション後にAサイトを空にすることによりtmRNAをmRNAとして翻訳が再開できるようにするために必要である。このとき、tmRNA上の再開位置が決まるのであるが、その決定には、SmpBとリボソームの相互作用を基礎として、そこにtmRNAが関わるメカニズムが示唆されている[25-28]。なお、tRNAと同じようにA/T→A→P→Eとリボソーム上を移動することが想定される点において、SmpBはこれまでに提唱されてきた擬態タンパク質とは一線を画す。
   tmRNAとSmpBはすべての細菌にセットで存在することから、トランストランスレーションシステムは細菌進化のごく初期には存在していたものと考えられる。tmRNAがtRNA遺伝子の中央に何かが入り込むことにより生じたであろうことは容易に想像できる。そして、過度にアミノアシルアクセプターステムに偏ったAlaRSの認識から考えて、入り込む先のtRNA遺伝子としてtRNAAla遺伝子が最も相応しかったことも納得できる。tmRNAを認識しなければならないという責任を背負ってしまったが為にAlaRSはアンチコドンを認識しないように進化せざるを得なかった、というストーリーもまた大いにありそうに思える[18]。いずれにしても、4個のシュードノットとタグペプチドコード領域を含むtmRNAの中央部分の構造については、他に類似のものは報告されておらず、その由来を想像することはできない。また、SmpBに類似の配列を持ったタンパク質の報告はなく、その由来もまた謎である。翻訳システムがまだ未熟であった生物進化の初期の頃、はたしてtmRNAのようなハイブリッド分子が今以上に跋扈していた世界は存在したのであろうか?

引用文献
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2. Tadaki, T., Fukushima, M., Ushida, C., Himeno, H. and Muto, A. Interaction of 10Sa RNA with ribosomes in Escherichia coli, FEBS Lett. 399, 223-226 (1996).
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