Viva Origino Vol.42 No.4
RNAワールドとtRNAの進化

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田村浩二
東京理科大学・基礎工学部
〒125-8585東京都葛飾区新宿6-3-1
koji@rs.tus.ac.jp
(Received 17 November, 2014, Accepted 16 February 2015)


1.RNAワールドと生命の起源

 生命とは何か?という問題に関しては、古来、多くの議論がなされてきている。その詳細については、本稿では触れないが、日常、目にする多くの対象の中で、これは生命であるとか、これは生命ではないとかいう判断を、私達は無意識に行っていると思う。正しいかどうかについては議論が分かれることと思うが、とりあえず、生命というものを「自己複製」し、「自己維持」するものと考えてみることにする。要は、自分と同じものを作り、それを維持していけるものが生命であると考えよう。
 これを頭に置きながら、現在の生物系を見てみる。地球上の生物は、DNA上に書かれた遺伝情報をRNAに書き写し(転写)、この情報を更にタンパク質のアミノ酸配列へと変換(翻訳)することによって、生命活動を展開している。クリックは「DNA→RNA→タンパク質」という一方向の情報の流れをセントラル・ドグマと名付け、これが地球上の生物系の作用原理として君臨している。しかしながら、DNAを作るためにはタンパク質が必要であり、生命の起源を考えた時、「核酸が先か、タンパク質が先か」という、分子版「鶏と卵」の問題が出現してくることになる。
   1980年代の初めに、チェックとアルトマンが、独立して、RNAが触媒機能を持つことを発見した[1,2]。そして、セントラル・ドグマでは、単なる遺伝情報を仲介する役割としてしか機能しないと思われていたRNAが、遺伝情報と触媒の両方の機能を併せ持つ可能性が指摘されて以来、生命の起源において「RNAワールド」というものが重要な役割を果たしたのではないかという考え方が提唱されてきた[3]。
 「RNAワールド」が、生命の初期進化において存在したであろうことは、多くのリボザイムの発見やリボソームの構造が明らかになった今日において、かなり確かではないかと、少なくとも私には思える。しかし、「RNAワールド」が現在の生物系に至るためには、どこかでタンパク質(アミノ酸)を巻き込むステップが必要であり、「RNAワールド」から「RNP(Ribonucleoprotein)ワールド」への進化は、極めて重要な過程になると考えられる。

2.tRNAとアミノアシルtRNA合成酵素

 今の生命システムを見てみると、RNAとタンパク質(アミノ酸)を繋ぐ過程というのは、「tRNAのアミノアシル化」というステップである。これは、各アミノ酸ごとに存在するアミノアシルtRNA合成酵素(aaRS)と呼ばれるタンパク質が、特定のアミノ酸を特定のtRNAに結合させるステップであるが、ここでaaRSが間違いなく、アミノ酸とtRNAを結合させ、mRNAのコドン(RNAトリプレット)が、tRNA上に存在するアンチコドンと相補対を形成することで、mRNA上の情報(ひいてはDNA上の情報)が正しくタンパク質を構成するアミノ酸の配列情報に変換されることになる。このRNAトリプレットとアミノ酸との対応関係は「遺伝暗号」として知られているが、「遺伝暗号」の成立の謎は、生命の起源と進化の大きな問題の一つである。
   さて、ここで登場するtRNAとaaRSについて、少し詳しく見てみよう。tRNAは約76ヌクレオチド程度の長さを持つRNAで、クローバーリーフ様の二次構造、L字型の立体構造を有している。L字型を構成する二本の腕の片方にアミノ酸結合部位があり(アミノ酸は一本鎖のCCAの端のAに結合する)、もう一方の腕の端にアンチコドンが存在している。tRNAのL字型構造は、進化的には、まず、アミノ酸結合部分を含む片方の腕の部分が生成し(この部分をミニヘリックスと呼ぶ)、後にアンチコドンを含むもう一方の腕の部分が付け加わったものと考えられている。一方、aaRSの方は、活性部位の構造形態の違いによって、二つのクラスに分類されている。しかし、一般的に、aaRSが、まずアミノ酸をアミノアシルAMPという形に活性化し、それをtRNAへ転移させることによって、アミノアシル化を完結させるという流れは、aaRSのクラスによらず一定している。すべてのアミノ酸種のaaRSで立体構造が明らかになっており、tRNAのミニヘリックス部分と相互作用するaaRSの領域は、同一クラス内では非常に似通った構造をしているのに対し、tRNAのアンチコドンを認識するaaRSの領域は、アミノ酸種によって、大きく構造が異なっており、aaRSの構造形態の観点からも、tRNAのミニヘリックス部分が先に出現し、これにアンチコドンを含むヘリックスが付け加わることで、現在のtRNAが作り上げられたという可能性が示唆される[4]。

3.tRNAのアミノアシル化の起源とアミノ酸のホモキラリティー

 前説で見たtRNAの進化とRNAワールド仮説に基づけば、まずは、タンパク質が存在しない状態で、ミニヘリックス様RNAがアミノアシル化されていたような、進化上の段階が考えられる。aaRSによる反応中間体であるアミノアシルAMPが、前生物学的に合成され得るという報告があるので、アミノアシルAMPと全く同じ結合様式を持つ「アミノアシル-リン酸-オリゴヌクレオチド」を用いて、タンパク質なしで、ミニへリックスのアミノアシル化の行わせたところ、L-アミノ酸が優位にミニヘリックスに結合されることが明らかになった。天然のRNAはD-リボースから構成されているが、逆に鏡像体(L-リボース)から全て構成されRNAを化学合成し、同様の実験を行ったところ、今度は、D-アミノ酸が優位にアミノアシル化された[5]。従って、アミノ酸のキラリティーとリボースのキラリティーは密接に関係している可能性が考えられる。宇宙から飛来したアミノ酸が、ごく僅かにL-アミノ酸過剰であるので、これが、現在の地球上の生物におけるアミノ酸のホモキラリティー(リボソームで生合成される天然タンパク質を構成するアミノ酸がL型である)の理由であるという考えがあるが、アミノ酸のラセミ化の速度(アミノ酸がラセミ化する時間内に生命の原型が成立し得たかという点)を考えると、筆者には、この宇宙飛来起源説は、にわかに信じ難い。むしろ、RNAワールドから、今の生命系のタンパク質合成系の成立への進化の流れを考える時、tRNAのアミノアシル化のステップが重要な鍵を握っているのではないかという気がしてならない(Fig.1)[6-9]。



Fig. 1. キラル選択的アミノアシル化とtRNAの進化

4.今後の研究

  生命の起源研究は、多くの分野の総合的な知の集大成といったものであり、この分野は、人類が存在する限り、途切れることなく、人々の知的好奇心を満たし続けるであろうことは間違いあるまい。各分野の研究者がそれぞれのアプローチを行っていくことで、それがある時に、大きな実になっていくといった類いのものであろう。アプローチも多種多様であるべきであり、だからこそ、これまでにない新たな発見ももたらされると思われる。少なくとも、私の興味は、遺伝暗号の成立の過程にあるので、RNAのキラリティーの謎と同時に、コドンとアミノ酸との対応関係の必然性に迫りたいと考えている。

引用文献

1. Kruger, K., Grabowski, P. J., Zaug, A. J., Sands, J., Gottschling, D. E. and Cech, T. R. Self-splicing RNA: autoexcision and autocyclization of the ribosomal RNA intervening sequence of Tetrahymena. Cell, 31, 147–157, 1982.

2.  Guerrier-Takada, C., Gardiner, K., Marsh, T., Pace, N. and Altman, S. The RNA moiety of ribonuclease P is the catalytic subunit of the enzyme. Cell, 35, 849–857, 1983.

3. Gilbert, W. The RNA world. Nature, 319, 618, 1986.

4. Schimmel, P. and Ribas de Pouplana, L. Transfer RNA: from minihelix to genetic code. Cell, 81, 983–986, 1995.

5. Tamura, K. and Schimmel, P. Chiral-selective aminoacylation of an RNA minihelix. Science, 305, 1253, 2004.

6. Tamura, K. and Schimmel, P. R. Chiral-selective aminoacylation of an RNA minihelix: mechanistic features and chiral suppression. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 103, 13750–13752, 2006.

7. Tamura, K. Origin of amino acid homochirality: relationship with the RNA world and origin of tRNA aminoacylation. BioSystems, 92, 91–98, 2008.

8. Tamura, K. Molecular handedness of life: significance of RNA aminoacylation. J. Biosci., 34, 991–994, 2009.

9. Tamura, K. Molecular basis for chiral selection in RNA aminoacylation. Int. J. Mol. Sci., 12, 4745–4757, 2011.




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