1229 蛋 白 質 核 酸 酵 素Vol.48No.9(2003)
Review
真核生物mRNAの
分解制御
星野真一
遺 伝 情 報 で あ るmRNAは
核 に お け る転 写 とス プ ラ イ シ ン グ,キ
ャ ッ ピ ン グや ポ リ(A)付 加 な ど
の プ ロ セ シ ン グ を 受 け た の ち,核 外 に輸 送 され,細 胞 質 に お い て 翻 訳 の 鋳 型 と な る こ と で 遺 伝
子 発 現 に お け る 使 命 を 完 了 す る.mRNAが
分 解 さ れ る 過 程 は,近
年 と く に 酵 母Saccharo
myces
cerevisiaeを
モ デ ル 系 と して そ の 詳 細 が 解 明 され つ つ あ る が,mRNAの
分 解 と翻 訳 と
の 関 係,す な わ ち,翻 訳 を 終 え たmRNAが
何 を 引 き金 と して 分 解 さ れ る の か と い う,分 子 生 物
学 上,非 常 に重 要 な 問 題 に対 す る答 え は明 らか に され て い な か った.筆 者 ら は,翻 訳 終 結 因子
eRF3の
機 能 を 解 析 す る過 程 で,翻 訳 終 結 の シ グ ナ ル がmRNA分
解 の トリガ ー と な る こ と を見
い だ した.
遺 伝子発現mRNA分
解
翻訳終 結
は じめ に
こ れ まで の 遺 伝 子 発 現 の 研 究 は 転 写 が 主 流 で あ り,転
写 後 の調 節 機 構 の 重 要 性 に つ い て はあ ま り触 れ られ て こ
なか っ た の が 実 情 で あ る.大 腸 菌 を は じめ とす る原 核 生
物 にお い て は,転
写 と翻 訳 は 連 動 して 起 こ る た め遺 伝 子
発 現 は転 写 レベ ル で の 調 節 が 主 体 とな るが,真 核 生 物 に
お い て は核 と細 胞 質 は 核 膜 に よ っ て 物 理 的 に 隔絶 さ れ,
転 写 され たmRNAが
一 度 核 外 に 輸 送 され て は じめ て 翻
訳 を受 け る た め,転 写 以 後 の 調 節 機構 が 遺 伝 子 発現 調 節
にお い て 非 常 に 重 要 な位 置 を 占め る よ う に な っ た と考 え
られ る.実 際,真 核 生 物 にお い てmRNAの
代 謝 過 程 が
遺 伝 子 発 現 調 節 に 大 き くか か わ る こ と を示 す 例 が,近 年
し だ い に 集 積 しつ つ あ る.最
も初 期 の 研 究 で は,10種
類 の 普 遍 的 なハ ウ ス キ ー ピ ン グ 遺 伝 子 に つ い てmRNA
Shinichi Hoshino,東 京 大 学 大 学 院 薬 学 系 研 究 科 生 理 化 学 教 室E-mail:[email protected]
Regulation of mRNA decay in eukaryote
図1mRNAの 構 造 (a)一 般 的 なmRNAの 構 造.5'末 端 に は キ ャ ップ構 造,3'末 端 に は ポ リ(A)鎖 を 有 し,固 有 のORFに 加 え て ヒ トで は 平 均 約210塩 基 の5'UTRと 約1kbの 3'UTRか らな る, (b)5'末 端 キ ャ ップ と3'末 端 ポ リ(A)鎖 に はそ れ ぞれelF4E,PABPが 結 合 し, 両 者 が 足 場 蛋 白 質 で あ るelF4Gと 結 合 す る こ とでmRNAは 環 状 構 造 を と り う る.
(c)in vitroで の 再 構 成 に よ りmRNA が環 状 化 す る こ とを 証 明 した 原 子 間 力顕 微 鏡 像,(文 献5よ り許可 を得 て 転 載)
1230 蛋 白 質 核 酸 酵 素Vol.48No.9(2003)
の 蓄 積 量 とmRNAの
安 定 性 や 転 写 との 関 係 を調 べ た 結
果,mRNAの
蓄 積 量 は 転 写 速 度 を 反 映 せ ず,む
し ろ
mRNAの
安 定 性 に よ っ て 規 定 さ れ て い る こ とが 示 さ れ
て い る1).こ の よ うな 結 果 は,酵 母 や 哺 乳 類 に お け る最
近 の トラ ンス ク リ プ トー ム解 析 に よ り再 確 認 さ れ て い
る.
ま た,と
くに 細 胞 の 活 性 化 ・癌 化,分
化 や 免 疫 応 答 に
中 心 的 な役 割 を担 うサ イ トカ イ ン,増 殖 因 子,癌
原 遺 伝
子 な どの 発 現 に お い て,細 胞 外 か らの シ グ ナ ル に 応 答 し
たmRNAの
安 定 性 制 御 が 重 要 な役 割 を 果 たす こ とが 明
らか に さ れ て きて い る.す
な わ ち,転 写 時 お よ び転 写 後
の 調 節 機 構 の 利 点 は,こ の よ う な外 界 か らの 刺 激 に 迅 速
に応 答 して遺 伝 子 発 現 が 制 御 され うる とい う点 に あ る と
い え る.ま た,卵 の 成 熟 過 程 や 初 期 胚 の 発 生 過 程 に お い
て,母 性mRNAの
分 解 と翻 訳 の 調 節 に よ り遺 伝 子 発 現
が 制 御 され る とい う例 は,転 写 後 調 節 機 構 の 重 要 性 を示
す 顕 著 な 例 で あ る.そ
の ほ か,細 胞 周 期 に か か わ る 遺 伝
子 の発 現 制 御 や概 日 リズ ム をつ く り出す 時 計 遺 伝 子 の 発
現 制 御,神
経 終 末 特 異 的 な遺 伝 子 発 現 調 節 な ど に お い て
も,転 写 後 の 調 節 機 構 の重 要性 が 示 さ れ て い る.
こ の よ う な遺 伝 子 発 現 調 節 の ほ か に,mRNA動
態 制
御 の 主 要 な 役 割 と して,mRNAの
品 質 管 理 と抗 ウ イ ル
ス 防 御 機 構 をあ げ る こ と が で き る.異 常 なmRNAを
分
解 し排 除 す る 品 質 管 理 機 構 は,正 常 なmRNAの
翻 訳 と
分 解 に非 常 に 密 接 な 関 連 性 を もつ.本 稿 で は,主
と して
酵 母 に お け る 詳 細 なmRNA分
解 機 構 の 解 析 と哺 乳 類 に
お い て 明 ら か に され て き た転 写 産 物 固 有 のmRNA分
解
機構,そ
して 筆 者 らが 最 近 明 らか に し た翻 訳 終 結 と共役
したmRNA分
解 機 構 に つ い て 紹 介 す る.
Ⅰ.一般 的 なmRNAの
構 造 的 特 徴:mRNA環
状化
構造(図1)
mRNAの 翻 訳 と 分 解 過 程 に お け る 調 節 機 構 を 理 解 す る 目 的 か ら,ま ず 一 般 的 なInRNAの 構 造 的 特 徴 に つ い て 概 説 し た い.ま れ な 例 外 を 除 き,す べ て のmRNAに 共 通 す る 構 造 は5'末 端 キ ャ ッ プ 構 造 と3'末 端 ポ リ(A) 鎖 で あ る.転 写 直 後 の ポ リ(A)鎖 は ヒ トで200∼250残 基,酵 母 で は60∼90残 基 と 報 告 さ れ て い る.翻 訳 開 始 コ ド ンAUGか ら 終 止 コ ド ン(UAA,UGA,UAG)ま で の 蛋 白 質 コ ー ド領 域(ORF)以 外 に,ヒ トで は 平 均210塩 基(最 長2.8kb)の5'非 翻 訳 領 域(5'UTR),平 均1kb(最 長8.6kb)の3'非 翻 訳 領 域(3'UTR)が 存 在 す る. mRNAは 直 鎖 状 構 造 を と る と 考 え ら れ て い た が,そ の 一 方 で 電 子 顕 微 鏡 観 察 に よ り 環 状 構 造 を と る こ と が 報 告 さ れ て お り2∼4),長 い 間 そ の 問 題 は 未 解 明 で あ っ た. ご く 最 近,5'末 端 キ ャ ッ プ 構 造 に は 翻 訳 開 始 因 子eIF4E が,ま た3'末 端 ポ リ(A)鎖 に は ポ リ(A)結 合 蛋 白 質 PABP1[poly(A)-binding protein]が 結 合 し,両 者 が scaffold蛋 白 質 で あ る 翻 訳 開 始 因 子eIF4G(eukaryotic initiation factor4G)を 介 し て 三 者 複 合 体 を 形 成 す る こ と が 報 告 さ れ,実 際 に こ れ ら の 翻 訳 因 子 とmRNAと の 再 構 成 実 験 に よ りmRNAが 環 状 構 造 を と る こ と が 原 子 問 力 顕 微 鏡 を 使 っ て 証 明 さ れ た5).ま たeⅠF4Gは40Sリ ボ ソ ー ム サ ブ ユ ニ ッ トを 結 合 す るeIF3と 相 互 作 用 す る こ と で,翻 訳 開 始 を 促 進 す る こ と が 示 さ れ て い る.こ の よ う なPABP1と 翻 訳 開 始 複 合 体 と の 結 合 を 介 し た mRNAの 環 状 化 は,翻 訳 を 終 え た リ ボ ソ ー ム を 次 の 翻 訳 開 始 部 位 に リ サ イ ク ル す る こ と で 翻 訳 開 始 の 効 率 を 促 進 す る と い う,翻 訳 活 性 化 機 構 の 構 造 的 基 盤 と し て 説 明 さ れ て い る. 5'キ ャ ッ プ 構 造 と3'末 端 ポ リ(A)鎖 は,こ の よ う に 翻 訳 の 効 率 を 高 め る 一 方 で,エ キ ソ ヌ ク レ ア ー ゼ に よ る 末 端 か ら のmRNA分 解 を 阻 害 す る こ と で,翻 訳 とmRNA 分 解 の 双 方 の 過 程 に お い て 遺 伝 子 発 現 制 御 に 大 き く貢 献 し て い る.Ⅱ.一 般 的 なmRNA分
解 経 路(図2)
最 初 に述 べ た よ う に,真 核 生 物 のmRNA分
解 経 路 は
酵 母 を モ デ ル 系 と して そ の 大 枠 が 明 らか に さ れ て きた.
略
号
ARE
: AU-rich element
eEF1A
: eukaryotic
elongation
factor 1A
eIF
: eukaryotic
initiation factor
eRF
: eukaryotic
releasing factor
NMD
: nonsense-mediated
mRNA decay
Nudix
: nucleoside
dephosphate
linked to some
other moiety, X
PABP
: poly (A) -binding protein
PRE
: polypyrimidine-rich
element
TTP
: tristetraprolin
1231 蛋 白 質 核 酸 酵素Vol.48No.9(2003)
mRNA分
解 は 無 秩 序 に起 こ る 反 応 過 程 で あ る と考 え ら
れ が ち で あ る が,実
は 非 常 に制 御 され た 過 程 で あ る とい
う こ とが 証 明 さ れ て い る6).通 常mRNA分
解 の 第1段
階 は,3'末 端 ポ リ(A)鎖 の 短 縮 化 過 程(デ
ァ デ ニ レ ー シ
ョ ン)に あ る.酵 母 に お い て 転 写 直 後 のmRNAの
ポ リ
(A)鎖 は60∼90残
基 の 長 さ を 有 す る が,こ
れ が約10残
基 程 度 に まで 短 縮 化 さ れ る と,5'末 端 キ ャ ップ構 造 が 切
断 を受 け(デ キ ャ ッ ピ ン グ),一 義 的 に5'→3'方 向 へ の分
解 が 進 行 す る.こ の 分 解 経 路 が 通 常 のmRNA分
解 に お
け る 主 要 経 路 で あ る.
そ の 代 替 経 路 と して,デ
ア デ ニ レー シ ョ ン後,3'→5'
方 向 の 分 解 経 路 も進 行 しう る こ とが 示 さ れ て い る.し か
し,5'→3',3'→5'経
路 の い ず れ の 場 合 に お い て も,そ
の 分 解 の 第1段
階 は デ ア デ ニ レー シ ョン に あ り,大 部 分
のmRNAに
お い て こ の 過 程 がmRNA分
解 の 律 速 段 階
で あ る.ま
た,こ
の デ ア デ ニ レー シ ョン速 度 の 調 節 が,
mRNA分
解 の 制 御 に 最 も効 果 的 で あ る7)。
こ れ に 対 して,デ ア デ ニ レー シ ョ ン非依 存 性 のmRNA
分 解 経 路 も存 在 す る.翻 訳 領 域(ORF)内
に ナ ン セ ンス
変 異(終 止 コ ドン)が 挿 入 さ れ た 異 常 なmRNAの
場 合 に
は,上 記 の 経 路 と は 異 な り,そ の 第1段 階 は デ キ ャ ッ ピ ン グ 反 応 で あ り,そ の 後5'→3'方 向 の 分 解 経 路 が 進 行 し,mRNAは 急 速 に 分 解 を 受 け る.こ の 分 解 経 路 は NMD(nonsense-mediated mRNA decay)経 路 と よ ば れ て い る8).ま た,終 止 コ ド ン の な い 異 常 なmRNAの 場 合 に は,NSD(non-sto pdecay)と よ ば れ る 経 路 で 分 解 を 受 け る こ と が ご く最 近 報 告 さ れ た.こ の 場 合 に は3'末 端 ポ リ(A)鎖 か ら3'→5'方 向 へ の 経 路 で 分 解 が 進 行 す る9,10). こ の よ う にmRNA分 解 の 鍵 を に ぎ る 構 造 的 な 特 徴 は,5'キ ャ ッ プ 構 造,3'ポ リ(A)鎖,そ し て 終 止 コ ド ン で あ る.1.デ ア デニ レー シ ョン過程(表1)
通 常 のmRNA分 解 の 第1段 階 で あ る デ ア デ ニ レ ー シ ョ ン を 制 御 す る 主 要 な 酵 素mRNAデ ア デ ニ レ ー ス は, Pan2-Pan3(PAN)複 合 体 とCcr4-Pop2-Not複 合 体 の2 つ で あ る11).Pan2-Pan3複 合 体 は 生 化 学 的 解 析 か ら 最 初 に 発 見 さ れ た デ ア デ ニ レ ー ス で あ り,転 写 直 後 に 付 加 さ れ た ポ リ(A)鎖 を 転 写 産 物 に 固 有 の 長 さ に ト リ ミ ン グ す 図2真 核 生 物 のmRNA分 解 経 路 真 核 生 物 のmRNA分 解 経 路 はデ ア デニ レー シ ョンの 依存 性 か非 依 存 性 か に よ り2つ に 大別 さ れ る,通 常 のmRNAは デ ア デ ニ レー シ ョン が分 解 の 第-段 階 で あ り,律 速 段 階 であ る.デ ア デ ニ レー シ ョ ン非 依 存 性 の 経 路 と して はNMD経 路 とエ ン ドヌ ク レ アー ゼ 経 路 が 知 ら れ て い る.ま たNSD(non-stop decay)は ポ リ(A)鎖 の分 解 と そ れ に続 く3'→5'経 路 に よ る分 解 が 進 行 す る が,こ の 場 合 の ポ リ(A)鎖 の 短 縮 化 は デ ア デニ レー ス で はな くエキ ソソー ム によ る もの で あ る.1232 蛋 白 質 核 酸 酵素Vol.48No.9(2003) る 過 程 に 働 く 酵 素 と し て 報 告 さ れ た.Pan2は 構 造 上 RNaseDフ ァ ミ リ ー に 属 す る3'→5'エ キ ソ ヌ ク レ ア ー ゼ を コ ー ド し て い る.PAN複 合 体 の 特 徴 は,デ ア デ ニ レ ー ス 活 性 の 発 現 にPABPが 必 要 で あ る と い う 点 で あ る.ま た,Ccr4-Pop2-Not複 合 体 は 当 初ADH2を は じ め と す る 多 く の 遺 伝 子 の 発 現 に か か わ る 一 般 的 な 転 写 因 子 と し て 同 定 さ れ た.Pop2はRNaseDフ ァ ミ リ ー に 属 しCcr4と と も に3'→5'エ キ ソ ヌ ク レ ア ー ゼ を コ ー ド し て い る が,Ccr4が デ ア デ ニ レ ー ス の 触 媒 活 性 を 有 す る こ と が 報 告 さ れ て い る12,13).酵 母Pan2とCcr4の 二 重 欠 損 株 で は,デ ア デ ニ レ ー ス 活 性 を ま っ た く示 さ な い こ と か ら,こ れ ら両 複 合 体 が 主 要 な デ ア デ ニ レ ー ス で あ る こ と が 証 明 さ れ た11).し か し な が ら,両 者 の 使 い 分 け の
詳 細 に つ い て は い まだ 明 らか に され て い な い.
一 方
,PARN-DANは
仔 ウ シの 胸 腺 に お い て は じめ て
発 見 さ れ た デ ア デ ニ レ ー ス で あ り,当 初 はXenopu5で
の 解 析 か ら卵 成 熟 の 過 程 に お け る母 性mRNAの
デ ア デ
ニ レー シ ョン と翻 訳 抑 制 に お い て機 能 す る こ とが 報 告 さ
れ,発
生 過 程 に お け る役 割 が 注 目 さ れ て い た.し か し,
あ らゆ る臓 器 で発 現 して い る こ と や,HeLa細
胞 抽 出 液
中 で のin vitro
mRNA分
解 過 程 の研 究 な どか ら,体 細 胞
に お い て も主 要 な デ ア デ ニ レ ー ス と して 機 能 す る 可 能 性
が 指 摘 さ れ て い る14).こ の 酵 素 の 特 徴 は5'キ ャ ッ プ 構
造 に結 合 す る こ と に よ っ て,デ
ア デ ニ レー ス活 性 が 活 性
化 す る 点 に あ る.し
か し な が ら,mRNA分
解 機 構 の 研
究 に お け るモ デ ル 生 物 と して 用 い ら れ て き た 出 芽 酵 母 に
表1真
核 生物 のmRNA分
解 を制御 す る 因子群
酵 母 に お いて 遺 伝学 的 ・生 化 学 的 に解 明 さ れ た 因子 と,ヒ トにお い て 同定 さ れ たそ の 相 同 因子 を示 す.1233 蛋 白質 核 酸 酵 素Vol.48No.9(2003) お い てPARN-DANは 存 在 し な い こ と か ら,特 異 的 な mRNA分 解 に か か わ る 可 能 性 も 考 え ら れ る. Nocturninは ご く最 近 に な っ て 発 見 さ れ た 第4番 目 の デ ア デ ニ レ ー ス で あ る15).発 見 の き っ か け は 概 日 リ ズ ム の 研 究 で あ り,Xenopusの 光 受 容 体 特 異 的 に 発 現 し,夜 に お い て 発 現 が ピ ー ク に 達 す る 遺 伝 子 産 物 を デ ィ フ ァ レ ン シ ャ ル デ ィ ス プ レ イ 法 に よ っ て ス ク リ ー ニ ン グ し 同 定 さ れ た.そ の 発 見 の 経 緯 か ら,“ 夜 ”を 意 味 す る “Noc turnin” と 名 づ け ら れ た.Xenopusに お い て は,網 膜 の 光 受 容 細 胞 で あ る 桿 体 と 錐 体 に 特 異 的 に 発 現 し,他 の 時 計 遺 伝 子 と 同 様,24時 間 を 周 期 と し て 日 内 変 動 す る こ と が 示 さ れ て い る.し た が っ て,概 日 リ ズ ム の 制 御 に お け る 機 能 の 特 異 性 が 推 定 さ れ る が,マ ウ ス に お い て は あ ら ゆ る 臓 器 で 発 現 が 確 認 さ れ て お り,よ り普 遍 的 な 機 能 へ の 関 与 も 否 定 で き な い.Nocturninは 発 見 当 初 か らCCR4 と構 造 上 の 相 同 性 が 指 摘 さ れ て い た が,ご く最 近,ポ リ (A)鎖 を 特 異 的 に 分 解 す る デ ア デ ニ レ ー ス と し て の 酵 素 活 性 が 証 明 さ れ た.Nocturninも 高 等 真 核 生 物 に 特 徴 的 な デ ア デ ニ レ ー ス で あ る.
2,デ キ ャッピン グ過程
ポ リ(A)鎖 が 除 去 さ れ る と,5'末 端 キ ャ ッ プ 構 造 の 切 断 が 起 こ る が,こ の 反 応 を 触 媒 す る の が デ キ ャ ッ ピ ン グ 酵 素 で あ る.デ キ ャ ッ ピ ン グ 酵 素 の2つ の サ ブ ユ ニ ッ ト Dcp1,Dcp2の う ち,MutT-Nudix(nucleoside dephos phate linked to some other moiety,X)モ チ ー フ を も つ Dcp2が 触 媒 サ ブ ユ ニ ッ ト で あ り,Dcp1はDcp2と 直 接 結 合 しDcp2に 対 し促 進 活 性 を 有 す る16∼19).遺 伝 学 的 あ る い は 生 化 学 的 解 析 か ら,デ キ ャ ッ ピ ン グ の 活 性 化 因 子 が 複 数 単 離 さ れ て い る(表1).環 状 型 の7量 体 を 形 成 す るRNA結 合 蛋 白 質 複 合 体Lsm1-7-Pat120),液 胞 の 蛋 白 質 輸 送 因 子Vps1621),DEADボ ッ ク ス フ ァ ミ リ ー に 属 す るRNAヘ リ カ ー ゼDhh122)を は じ め,Dcp1-Dcp2 を 直 接 活 性 化 す る 低 分 子 量 のRNA結 合 蛋 白 質Edc (enhancer of decapping)1,Edc223)な ど で あ る.Lsm1-7-Pat1,Dhh1は 通 常 の デ ア デ ニ レ ー シ ョ ン 依 存 性 の デ キ ャ ッ ピ ン グ に 必 要 な 因 子 で あ り,NMDの 際 の デ キ ャ ッ ピ ン グ 反 応 に は 関 与 し な い.ま た こ れ に 対 し,翻 訳 開 始 因 子 複 合 体eIF4F(eＩF4EとeIF4Gが 結 合 し た 複 合 体) が デ キ ャ ッ ピ ン グ の 阻 害 因 子 と し て 唯 一 知 ら れ て い る. こ の デ キ ャ ッ ピ ン グ 反 応 が デ ア デ ニ レ ー シ ョ ン に ひ き 続 い て 起 こ る 過 程 に お い て,mRNP(messenger ribonu cleoprotein)が 劇 的 な 構 造 変 化 を 起 こ す こ と が 報 告 さ れ て い る24).す な わ ち,デ ア デ ニ レ ー シ ョ ン に 伴 っ てPABP と と も にeIF4EやeIF4GがmRNAか ら解 離 し,Lsm1-7-Pat1複 合 体,Dcp1-Dcp2複 合 体 がmRNAに 会 合 し, デ キ ャ ッ ピ ン グ が 促 進 さ れ る と い う も の で あ る.ま た, Dhh1はLsm1-7-Pat1複 合 体 と と も にPop2-Ccr4-Not 複 合 体 と も 相 互 作 用 す る こ と が 報 告 さ れ て お り,デ ア デ ニ レ ー シ ョ ン と デ キ ャ ッ ピ ン グ/5'→3'分 解 を 結 ぶ 掛 け 橋 と し て の 役 割 を 果 た し て い る こ と が 推 定 さ れ る. 3.5'→3'分 解 過 程 mRNAは デ キ ャ ッ ピ ン グ 後,5'→3'方 向 へ の 分 解 が 進 行 し,mRNA本 体 が 壊 さ れ る が,こ の 反 応 に はXrn1 と よ ば れ る5'→3'エ キ ソ リ ボ ヌ ク レ ア ー ゼ が 唯 一 そ の 役 割 を 担 っ て い る25).こ の 酵 素 は 細 胞 内 に お い てLsm1-7-Pat1複 合 体,Dcp1-Dcp2複 合 体 と と も に 同 一 の 顆 粒 状 の 構 造 体 に 局 在 化 し て い る こ と が 報 告 さ れ て い る26). 4.3'→5'分 解 過 程 上 述 の と お り,正 常 なmRNA分 解 過 程 に お い て,5' →3'方 向 の 分 解 が 主 要 経 路 で あ り,3'→5'経 路 は 補 助 的 な 役 割 を 果 た し て い る と 考 え ら れ る.こ の3'→5'分 解 経 路 は エ キ ソ ソ ー ム ーSki複 合 体 と よ ば れ る 酵 素 群 に よ っ て 制 御 さ れ て い る.エ キ ソ ソ ー ム と は 少 な く と も10種 類 の 蛋 白 質 か ら な る 分 子 量300∼400Kの 巨 大 な 分 子 複 合 体 で あ り,10種 類 す べ て の サ ブ ユ ニ ッ ト が3'→5'エ キ ソ リ ボ ヌ ク レ ア ー ゼ 活 性 を 有 す る.エ キ ソ ソ ー ム は 細 胞 質 と 核 の 双 方 に 局 在 す る が,核 の エ キ ソ ソ ソ ー ム は snRNA(small nuclear RNA),rRNA,snoRNA(small nu cleolar RNA)な ど の プ ロ セ シ ン グ と分 解 を 制 御 す る の に 対 し,細 胞 質 の エ キ ソ ソ ー ム がmRNAの 分 解 に か か わ る27).ま た,エ キ ソ ソ ー ム の 補 助 因 子 で あ るSki2/Ski3/ Ski8複 合 体 とSki7が,エ キ ソ ソ ー ム に よ るmRNA分 解に 必 要 で あ る.
Ⅲ.高 等真核生物のmRNA分
解経路
これ まで 述 べ て きた よ うに,mRNA分
解 過 程 の 研 究
は 主 と して酵 母 をモ デ ル 系 と して 解 析 され て きた とい う
歴 史 的 背 景 が あ る.こ れ に対 して 高 等 真 核 生 物,と
くに
哺 乳 類 のmRNA分
解 経 路 の 詳 細 に つ い て は不 明 な点 が
多 い.
1234 蛋 白 質 核 酸 酵 素Vol.48No.9(2003) ま ず,mRNA分 解 の 第1段 階 が 哺 乳 類 に お い て も 酵 母 と 同 様,デ ア デ ニ レ ー シ ョ ン で あ る と い う こ と に 関 し て は 間 違 い な い よ う で あ る.し か し な が ら,次 の ス テ ッ プ が 酵 母 と は 異 な り,哺 乳 類 で は3'→5'方 向 の 分 解 経 路 で 進 行 す る と い う 結 果 が 最 近 に な っ て 相 次 い で 報 告 さ れ た28∼32).最 初 の 報 告 はARE(AU-riche lement)(後 述)を
も つ 不 安 定 なmRNAで あ るc-myc mRNAを 用 い たin vitro分 解 系 に 基 づ く も の で あ る28).そ の 後,や は りin vitro分 解 系 を 用 い て,ARE-mRNAを 含 む 少 な く と も い く つ か のmRNAに お い て は,エ キ ソ ソ ー ム に よ る 3'→5'方 向 の 分 解 経 路 が 主 要 経 路 と し て 働 く こ と が 報 告 さ れ た.こ の 場 合,エ キ ソ ソ ー ム が 主 要 な 分 解 酵 素 で あ り, デ ア デ ニ レ ー シ ョ ン後 の3'→5'分 解 経 路 を 触 媒 す る が, AREは こ の エ キ ソ ソ ー ム に よ る 分 解 を 促 進 す る.ま た エ キ ソ ソ ー ム はARE-mRNAの 不 安 定 化 に 働 くTTP (tristetraprolin)な ど のARE結 合 蛋 白 質 と会 合 す る こ と でARE-mRNAに リ ク ル ー ト さ れ る.そ し て 最 終 的 に キ ャ ッ プ 構 造 ま で 到 達 し た と こ ろ で,DcpS(scavenger decapping enzyme)と よ ば れ るDcp1-Dcp2と は 異 な る 酵 素 が デ キ ャ ッ ピ ン グ 反 応 を 行 な う30・33).ま た,ご く最 近PRE(polypyrimidine-richelement,後 述)を も つ α-グ ロ ビ ン のmRNAに 関 し て も,デ ア デ ニ レ ー シ ョ ン に 続 く3'→5'経 路 で 分 解 を 受 け る こ と が 報 告 さ れ て い る34). そ の 一 方 で こ の よ う な 報 告 と は 別 に,哺 乳 類 に お い て も 酵 母 と 同 様,デ ア デ ニ レ ー シ ョ ン依 存 性 の デ キ ャ ッ ピ ン グ と5'→3'分 解 経 路 の 存 在 を 裏 づ け る 結 果 も 報 告 さ れ て い る.す な わ ち,哺 乳 類 に お い て もDcp1,Dcp2,Pop2, Xrn1,Lsm1-7が 存 在 す る と い う 事 実 で あ る.と く に 最 近 単 離 さ れ た ヒ トDcp2に よ る デ キ ャ ッ ピ ン グ 反 応 は, ポ リ(A)に よ る 阻 害 を 受 け る こ と な ど か ら,酵 母 と 同 様 デ ア デ ニ レ ー シ ョ ン依 存 性 の デ キ ャ ッ ピ ン グ 過 程 が,哺 乳 類 に お い て も 機 能 し て い る こ と を 間 接 的 に 示 し て い る18).
Ⅳ.エ ン ドリボ ヌ ク レアー ゼ に よる分 解
上 述 の よ う に,一 般 的 なmRNA分 解 は す べ て エ キ ソ ヌ ク レ ア ー ゼ に よ る も の で あ る が,い くつ か の 特 殊 な 例 で は エ ン ドヌ ク レ ア ー ゼ に よ る 分 解 機 構 の 存 在 が 示 さ れ て い る(図2).ア ル ブ ミ ン,ア ポ リ ポ プ ロ テ イ ン Ⅱ,c-myc,Groα,IGF2,ト ラ ンス フ ェ リ ン受 容 体,ＸIhbox2B, 9E3,α グ ロ ビ ン,β グ ロ ビ ン な ど で あ る.と く に αグ ロ ビ ン に お い て は 特 異 的 な エ ン ド リ ボ ヌ ク レ ア ー ゼErEN が 同 定 さ れ て い る35).ErENに よ る αグ ロ ビ ンmRNA の3'UTRに お け る 分 解 は,デ ア デ ニ レ ー シ ョ ン を 経 ず に グ ロ ビ ン遺 伝 子 の 急 速 な 分 解 を 可 能 に し て い る.ま た ア ル ブ ミ ン に は ポ リ ソ ー ム に 存 在 す る エ ン ド リ ボ ヌ ク レ ア ー ゼRNase1が 同 定 さ れ て い る.Ⅴ.転 写 産物 固 有 のmRNA分
解制 御(表2)
以 上 述 べ て き た よ う に,mRNA分
解 は5'キ ャ ップ と
3'ポ リ(A)鎖
とい っ た す べ て のmRNAに
共 通 の 構 造 を
標 的 と して 制 御 され て い る.し か し,こ の よ う な 一 般 的
な 機 構 だ け で は,mRNAは
す べ て 同 じ よ う な 寿 命 を も
つ こ と に な る.と
こ ろ が,実 際 に はmRNAの
半 減 期 は
数 分 か ら数 日 とい う よ うに,細 胞 の 倍 化 時 間 の 百 分 の 一
よ り短 い もの か ら,細 胞 の数 世 代 に わ た っ て 保 持 され続
け る も の まで 多 岐 に わ た る.最 近 の トラ ンス ク リプ トー
ム解 析 の結 果 で は,mRNAの
半 減 期 とmRNA(ORF)の
長 さや レ ア コ ドン(使 用 頻 度 の 低 い コ ド ン)の 含 量 と の
間 に は 単 純 な 相 関 は な く,mRNA上
の リ ボ ソー ム の 密
度(リ ボ ソー ム に よ るmRNAの
保 護)や 細 胞 内 のmRNA
含 量 な ど も無 関 係 で あ る こ とが 示 さ れ て い る36).
転 写 産 物 固 有 のmRNA分
解 制 御 機 構 の 解 析 は,酵 母
よ り哺 乳 類 に お け る研 究 が む しろ先 行 し て い る.そ
れ は
哺 乳 類 に お け るmRNA分
解 の 研 究 が,サ
イ トカ イ ン,
増 殖 因 子,転
写 因 子,癌
原 遺 伝 子 な ど非 常 に不 安 定 な初
期 応 答 遺 伝 子 のmRNAや,グ
ロ ビ ン遺 伝 子 な ど に 代 表
さ れ る非 常 に 安 定 なmRNAを
対 象 に 進 ん で き た た め で
あ る.こ
の よ うな 転 写 産 物 固 有 のmRNAの
分 解 は,主
と して3'UTRに
存 在 す る シ ス配 列 に よ り制 御 さ れ て い
る.そ
の 代 表 例 が 次 に示 すAREとPREで
あ る.
1,不 安 定化 シ ス配列AREを
もつmRNA
癌 遺 伝 子,サ
イ トカ イ ン,増 殖 因 子,転
写 因 子 な ど,
半 減 期 の 短 いmRNAの3'UTRに
は 不 安 定 化 シ ス 配 列
AREが
存 在 す る37).AREの
基 本 配 列 はAUUUAか
ら
な る5塩 基 の 配 列 で あ るが,そ
の基 本 単 位 の く り返 しに
よ り3ク ラ ス7グ ル ー プ に分 類 され て い る.ク
ラス1と
Ⅲ は 癌 原 遺 伝 子mRNAに,ク
ラ ス Ⅱ は サ イ トカ イ ンや
ケ モ カ イ ンのmRNAに
多 くみ ら れ る.ま
た こ れ らARE
の 多 様 性 と対 応 す る か の よ う にARE結
合 蛋 白 質 も多 数
1235 蛋 白質 核 酸 酵素Vol.48No.9(2003)
同 定 さ れ て い る.そ の 代 表 例 がAUF1-hnRNPD,HuR-HuA,TTP,TIA-1,TIAR,HuC,HuD,HuB/Hel-N1で
あ り,そ の ほ か 酵 素 活 性 を 有 す る 乳 酸 デ ヒ ド ロ ゲ ナ ー ゼ,
GAPDH (glyceraldehydes
3-phosphate dehydrogenase),
AUH (enoyl CoA hydratase),
3-oxoacyl-CoA thiolase
- Hsp (heat shock protein) 70, Hsc70, CUGBP2, KSRP,
PM-Scl75な ど で あ る. 基 本 的 にAREは 不 安 定 化 配 列 で あ り,デ ア デ ニ レ ー シ ョ ン と そ れ に 続 く3'→5'分 解 過 程 や デ キ ャ ッ ピ ン グ の 促 進 を 介 し て 急 速 なmRNA分 解 を ひ き 起 こ す.と こ ろ が,あ る 種 のmRNAに お い て は 刺 激 に 応 じ て 安 定 化 に も 働 き う る 場 合 が あ る.代 表 的 な 例 は,熱 シ ョ ッ ク ス ト レ ス に よ るARE-mRNAの 安 定 化 で あ る.AUF1は 通 常ARE-mRNAの 不 安 定 化 に 働 く 蛋 白 質 因 子 で あ る が,そ のARE-mRNAの 分 解 は,ユ ビ キ チ ンープ ロ テ ア ソ ー ム 系 に よ るAUF1の 分 解 と 密 接 に 連 関 し て い る. 熱 シ ョ ッ ク ス ト レ ス 刺 激 時 に は プ ロ テ ア ソ ー ム が 不 活 性 化 し,誘 導 さ れ たHsp70がAUF1を 核 に 局 在 化 す る こ と に よ っ て 細 胞 質 のARE-mRNAは 安 定 化 す る38).ま た,ア ラ キ ド ン酸 を プ ロ ス タ グ ラ ン ジ ン に 変 換 す る 酵 素 で あ るCOX-2のmRNAは 紫 外 線 や γ 線 照 射 に よ っ て 安 定 化 す る が,こ の 安 定 化 に はAREへ のCUGBP2
[(CUG)n triplet repeatRNA-binding protein2]の 結 合 が 関 与 し て い る.し か し,CUGBP2のAREへ の 結 合 は COX-2mRNAの 翻 訳 を 抑 制 す る の で,結 果 的 に は 癌 細 胞 に お け るCOX-2の 発 現 抑 制 に 働 く39).AUF1やTTP
と は 対 照 的 に,HuR(Hu antigenR)を は じめ とす るHu フ ァ ミ リ ーRNA結 合 蛋 白 質 はARE-mRNAを 安 定 化 す る が,ARE-mRNAの 安 定 化 と 不 安 定 化 の 制 御 に は,こ の よ う なARE結 合 蛋 白 質 問 の 競 合 が か か わ っ て い る こ と が 示 唆 さ れ る.
2.安 定化シス配列の代表例PRE
グ ロ ビ ンmRNAは,赤
血 球 分 化 の 過 程(有
核 の 赤 芽
球 が 脱 核 し て 赤 血 球 に 成 熟 す る 過 程)で
細 胞 全 体 の
mRNAの95%を
占 め る ま で に 蓄 積 す る.こ の 過 程 で
はす で に 転 写 は 停 止 状 態 に あ り,こ の よ う なmRNAの
構 成 変 化 はmRNAの
安 定 性 の 変 動 に よ る もの で あ る.
す な わ ち グ ロ ビ ンmRNAを
安 定 化 し,そ の ほ か のmRNA
を 選 択 的 に 不 安 定 化 す る こ と に よ る40).α グ ロ ビ ン
表2転
写産物 固有 のmRNA分
解 にか かわ る シス因子 と トラ ンス因子
1236 蛋 白 質 核 酸 酵 素Vol.48No.9(2003) mRNAの3'UTRに は 約50残 基 か ら な る シ ス 配 列PRE [あ る い はCRE(cytosine-rich element)と も よ ば れ る] が 存 在 し て お り,こ こ に α 複 合 体 と よ ば れ る 蛋 白 質 複 合 体 が 結 合 す る.α 複 合 体 の 構 成 因 子 で あ る αCP1, αCP2は,ポ リ(C)結 合 蛋 白 質PCBPの 一 員 で あ り,PRE に 結 合 す る と 同 時 にPABPに も 結 合 す る こ と で デ ア デ ニ レ ー シ ョ ン を 抑 え,α グ ロ ビ ンmRNAを 安 定 化 す る.ま た α 複 合 体 は エ ン ド ヌ ク レ ア ー ゼErENに よ る 分 解 を 抑 え る こ と で も 安 定 化 に 寄 与 し て い る. こ の よ う な α グ ロ ビ ンmRNAの 安 定 化 の 機 構 は,α サ ラ セ ミ ア(と く に α-Constant Spring変 異)の 研 究 に 端 を 発 す る.こ の 疾 患 は 東 南 ア ジ ア に お い て 高 頻 度 で み ら れ る α グ ロ ビ ン 遺 伝 子 の 変 異 に 起 因 す る も の で あ り, α グ ロ ビ ン の 終 止 コ ド ン の 変 異 に よ っ て 翻 訳 終 結 が 起 こ らず,リ ボ ソ ー ム が3'UTRを ス キ ャ ン し続 け てPRE に お け る α 複 合 体 形 成 を 阻 害 す る こ と に よ り α グ ロ ビ ンmRNAの 安 定 化 が 障 害 を 受 け る と 考 え ら れ て い る. ち な み に α グ ロ ビ ンmRNAの 分 解 経 路 は 上 述 の よ う に デ ア デ ニ レ ー シ ョ ン が 第1段 階 で あ り,そ の 後3'→5'の 分 解 が 進 行 し て 最 終 的 にDcpSに よ る デ キ ャ ッ ピ ン グ が 起 こ る.PCBPは α-CP1∼ α-CP4とhnRNP-Eの5種 類 が 同 定 さ れ て お り,α グ ロ ビ ンmRNAの ほ か,β グ ロ ビ ン,α コ ラ ー ゲ ン,エ リ ス ロ ポ エ チ ン,CD81,リ ポ キ シ ゲ ナ ー ゼ,チ ロ シ ン ヒ ド ロ キ シ ラ ー ゼ な ど のmRNA の 安 定 性 を 制 御 し て い る. ま た,イ ン ス リ ン のmRNAは 高 濃 度 の グ ル コ ー ス 存 在 下 で 半 減 期 が2倍 以 上 増 大 し安 定 化 す る.イ ン ス リ ン mRNAの3'UTRに は や は りPREが 存 在 す る が,こ の 場 合 に は α 複 合 体 と は 異 な るPTB(polypyrimidine tract-bindingprotein)が グ ル コ ー ス に 依 存 し てPREに 結 合 し,イ ン ス リ ンmRNAを 安 定 化 す る41). 以 上 の よ う に,転 写 産 物 特 異 的 なmRNA分 解 に か か わ る シ ス の 因 子 は お も にmRNAの3'UTRに 存 在 し, mRNAの 主 と し て 律 速 段 階 で あ る デ ア デ ニ レ ー シ ョ ン 過 程 に 影 響 を 与 え る こ と で,そ の 転 写 産 物 固 有 の 半 減 期 を つ く り 出 し て い る と 考 え る こ と が で き る.
Ⅵ.情 報伝達によるmRNA分
解の制御
これ ら転 写 産 物 固 有 のmRNA分
解 に 関 し て は,何 が
そ の トリガ ー に な る か とい う こ とが しだ い に 明 らか に さ
れ つ つ あ る.す な わ ち,あ
る種 のmRNAは
い くつ か の
情 報 伝 達 系 を 介 し て 制 御 さ れ て い る. p38MAPキ ナ ー ゼ を 介 し た 情 報 伝 達 系 に よ るARE mRNAの 分 解 制 御 は,細 胞 増 殖,分 化 や 免 疫 応 答 に か か わ る 遺 伝 子 の 発 現 調 節 に 重 要 な 役 割 を 果 た し て い る42∼44).COX2,TNF-α,IL-3,IL-6,IL-8,MIP1α, GMCSF,VEGF,ウ ロ キ ナ ー ゼ プ ラ ス ミ ノ ー ゲ ン ア ク チ ベ ー タ ー,c-fosを 含 むARE-mRNAがp38MAPキ ナ ー ゼ 経 路 に よ る 制 御 を 受 け る こ と が 示 さ れ て い る .と く に,TNF-α,GMCSF,IL-3な ど のmRNAに お い て は ARE結 合 蛋 白 質 で あ るTTP(tristetraprolin)がp38 MAPK経 路 に よ る リ ン 酸 化 を 介 し て こ れ ら のmRNAの 安 定 性 を 制 御 し て い る と 考 え ら れ る. ま た,酵 母 の 翻 訳 開 始 因 子TIF51AのmRNAは3' UTRにAREを 有 し グ ル コ ー ス に よ り安 定 化 す る が, こ の グ ル コ ー ス 刺 激 に 伴 うmRNAの 安 定 化 の 過 程 に や は りp38MAPK経 路 の 介 在 が 示 さ れ て い る46).し た が っ て,こ の よ う な 機 構 は 真 核 生 物 に 普 遍 的 に 存 在 す る と 考 え ら れ る. さ ら に,こ れ ら と よ く似 た 機 構 と し て 知 ら れ て い る も の と し て は,同 じ くMAPキ ナ ー ゼ フ ァ ミ リ ー に 属 す る JNK(c-Jun N-terminal kinase)経 路 を 介 し たIL-2mRNAの 安 定 性 制 御 で あ る.IL-2mRNAはT細 胞 の 活 性 化 の 際 に 安 定 化 を 受 け る が,こ の 場 合 に はIL-2 mRNAの5'UTR上 に 存 在 す る シ ス 配 列JRE(JNK re sponseelement)と トラ ン ス の 因 子 で あ るYB-1,ヌ ク レ オ リ ンが こ の 安 定 化 に 働 く46}. 上 述 の よ う な 転 写 産 物 固 有 のmRNA分 解 制 御 機 構 は,同 じ 機 能 を 共 有 す る 転 写 産 物 の グ ル ー プ 単 位 で 働 い て い る 可 能 性 が 示 さ れ て い る.た と え ば,酵 母 に お い て 解 糖 系 や 糖 新 生 系,TCAサ イ ク ル な ど エ ネ ル ギ ー 代 謝 に か か わ る 酵 素 を コ ー ドす る 転 写 産 物 は ど れ も 同 様 に 長 い 半 減 期 を も ち,逆 に 接 合 因 子 の 情 報 伝 達 系 に か か わ る も の は ど れ も 非 常 に 短 い 半 減 期 を 有 す る.さ ら に サ ブ ユ ニ ッ トを 構 成 す る よ う な 因 子 群 に 関 し て は よ り 厳 密 に 近 い 半 減 期 を も つ.20Sプ ロ テ ア ソ ー ム の コ ア を 構 成 す る 14の 蛋 白 質 の う ち13種,リ ボ ソ ー ム 蛋 白 質131種,4 種 の ヒ ス ト ン そ れ ぞ れ に お い て 非 常 に 一 致 し たmRNA 分 解 速 度 を も つ こ と が 報 告 さ れ て い る.こ の よ う に mRNA分 解 に お い て も 転 写 同 様,同 じ 機 構 に よ っ て 調 節 さ れ る 制 御 単 位(regulon)が 存 在 す る 可 能 性 が 指 摘 さ れ て い る36).
1237 蛋 白 質 核酸 酵 素Vol.48No.9(2003)
Ⅶ.翻 訳 終 結 が 正常 なmRNA分
解 の トリガー と し
て働 く
上 述 し た 転 写 産 物 固 有 のmRNA分 解 と は 別 に,と く に 正 常 なmRNAの 場 合,分 解 の ト リ ガ ー と な る も の が 何 か と い う こ と が こ れ ま で ま っ た く 不 明 で あ っ た.筆 者 ら は,翻 訳 終 結 機 構 を 解 析 す る 過 程 で,翻 訳 終 結 が 通 常 のmRNA分 解 の ト リ ガ ー と な る こ と を 見 い だ し た (Hosoda,N.e tal.:投 稿 中). 真 核 生 物 の 翻 訳 は 開 始 ・伸 長 ・終 結 の3つ の 過 程 か ら 成 り立 っ て い る が,翻 訳 終 結 は 終 結 因 子eRF(eukaryotic releasing factor)1,eRF3に よ っ て 制 御 さ れ て い る(図3 b).翻 訳 開 始,伸 長 を 経 て,終 止 コ ド ン が リ ボ ソ ー ムA 部 位 に く る と,eRF1は こ れ を 認 識 し て 結 合 し,合 成 し た ポ リ ペ プ チ ド鎖 の 解 離 を ひ き 起 こ す.こ の と きeRF3 は,eRF1を リ ボ ソ ー ム に 運 搬 す る こ と で 終 結 反 応 を 促 進 す る.eRF1はtRNAの 分 子 擬 態 構 造 を 有 す る こ と が 示 さ れ て お り47),さ ら にeRF3 は 伸 長 因 子eEFIA(eukaryotic elongation factor1A)と 構 造 上 相 同 性 を 有 す る こ と か ら,eEF lAが ア ミ ノ ア シ ルtRNAを リ ボ ソ ー ム に 運 搬 す る 翻 訳 伸 長 機 構 と の 類 似 性 が 示 唆 さ れ る. eRF3は 約200ア ミ ノ 酸 か ら な る 固 有 のN末 端 領 域(Nド メ イ ン)とeEFIAと 相 同 性 を 有 す る 約400残 基 のC末 端 領 域 (Cド メ イ ン)か ら な る と い う 特 徴 的 な ド メ イ ン を も つ(図3a). eRF1と の 結 合,翻 訳 終 結 因 子 と し て の 機 能 に はeRF3のC ドメ イ ン の み で 十 分 で あ り,N ドメ イ ン の 機 能 に つ い て は ま っ た く不 明 で あ っ た.そ こ で,N ドメ イ ン の 機 能 を 解 明 す る 目 的 か ら,酵 母two-hybrid system を 用 い てeRF3ヒ トT細 胞 の ラ イ ブ ラ リ ー か らNド メ イ ン と 特 異 的 に 結 合 す る 因 子 を 探 索 し,PABP1を 同 定 し た48}.PABP1はmRNAの3'末
端 に 存 在 す る ポ リ(A)鎖 と 特
異 的 に 結 合 す るRNA結
合 蛋 白質 で あ る.PABPの
機 能
は お も に酵 母 に お い て 解 析 が 進 ん で お り,①mRNA上
の ポ リ(A)鎖 と 結 合 す る こ と に よ りmRNAを
安 定 化 す
る こ と,②
翻 訳 開 始 因 子eIF4Fと
会 合 す る こ と で
mRNAを
環 状 化 し,リ ボ ソー ム の リサ イ ク リ ン グ を 促
進 して 翻 訳 開 始 を 制 御 す る こ と,が 示 唆 され て い た.し
た が っ て,eRF3がPABPと
の相 互 作 用 を 通 して これ ら
翻 訳 終 結 以 外 の 機 能 を制 御 す る 可 能 性 が 示 唆 され た.
Ⅷ.eRF3はmRNA分
解 の 律 速 段 階 で あ る ポ リ
(A)鎖 の デア デ ニ レー シ ョン に働 きmRNAの
分解 過 程 を制 御 す る
eRF3は
酵 母 か ら ヒ トに 至 る ま で 高 度 に 保 存 さ れ て お
り,酵 母 に お い て もeRF3とPABPの
相 互 作 用 が 観 察
さ れ る こ とか ら,酵 母 を用 い て 遺 伝 学 的 解 析 を 行 な っ
た.そ の 結 果,酵
母eRF3の
温.度感 受 性 変 異 株gst1に
図3翻 訳 終 結 因 子eRF3の 機 能 (a)eRF3の1次 構 造,翻 訳 伸 長 因 子eEF1Aと 相 同 なCド メ イ ン と 約200ア ミ ノ酸 か らな るN ドメ イ ンと か ら構 成 され る. (b)eRF3は 終 止 コ ドンを 直接 認 識 す る 翻 訳 終 結 因 子eRF1を リボ ソ ー ム に 運搬 す る こ と で翻 訳 終 結 過程 を制 御 して い る,eRF3のNド メイ ン は翻 訳 終結 に は直 接 関与 せ ず,PABPと の結 合 に か かわ る,1238 蛋 白 質 核 酸 酵 素Vol.48No.9(2003)
お い て 制 限 温 度 下 にmRNAの
安 定 化 が 観 察 さ れ た.こ
のmRNA分
解 系 の 異 常 は,野 生 型eRF3の
導 入 に よ り
完 全 に相 補 され た.ま
た,PABPと
の 相 互 作 用 に 必 要 な
eRF3Nド
メ イ ンの 欠 失 変 異 株 は,翻 訳 終 結 過 程 に は ま
っ た く異 常 が み られ な い が,調 べ た す べ て のmRNAに
お い て 安 定 化 が 観 察 され,分 解 系 に異 常 を きた して い る
こ とが 示 さ れ た.eRF3Nド
メ イ ンの 欠 失 変 異 株 に お い
て は,ポ
リ(A)鎖
の 長 いmRNAの
蓄 積 が 観 察 さ れ,
mRNA分
解 の律 速 段 階 で あ る ポ リ(A)鎖 の 短 縮 化 に異
常 が あ る こ とが 明 らか と な っ た.し
た が っ て,eRF3は
PABPと
の 相 互 作 用 を 介 して デ ア デ ニ レー シ ョ ンの 過 程
でmRNAの
分 解 を制 御 して い る こ とが示 され た.
さ らに,翻 訳 開 始 コ ドン の 上 流 に ス テ ムール ー プ構 造
を 導 入 し たmRNAは
翻 訳 さ れ な い が,こ
の よ う な
mRNAの
安 定 性 はeRF3のNド
メ イ ン 欠 失 に よ っ て 影
響 を受 け な い こ と を見 い だ した.こ の 結 果 は,eRF3が
翻 訳 と 共 役 したmRNAの
分 解 を 制 御 す る こ と を示 して
い る.以 上 の 結 果 か ら,eRF3はeRF1と
の 相 互 作 用 を
と お して 翻 訳 終 結 反 応 を 行 な い,そ
れ と共 役 し た 形 で
PABPと
の 相 互 作 用 を 介 して,mRNAの
デ ア デ ニ レ ー
シ ョ ン と そ れ に ひ き続 くmRNAの
分 解 を制 御 して い る
と考 え られ る(図4).同
様 の 実 験 結 果 は,高 等 真 核 細 胞
に お い て も観 察 さ れ た.
終 止 コ ド ンに 起 因 す るmRNA分
解 とい う観 点 か ら 考
え る と,前 例 が な い わ けで は な い.す で に述 べ た よ う に
NMDはmRNAの
ナ ンセ ン ス変 異 に 伴 っ て 生 じ る異 常
なmRNAの
分 解 機 構 で あ り,コ ー ド領 域 内 に 生 じた ナ
ンセ ンス 変 異(終 止 コ ドン)が トリ ガ ー と な るmRNA分
解 で あ る.ま た,最 近 報 告 さ れ たNSDは
終 止 コ ド ンが
な い 異 常 なmRNAの
分 解 機 構 で あ り,と
も に終 止 コ ド
ンの 異 常 に よ っ て 起 こるmRNA分
解 で あ る.こ れ に対
して,筆
者 らが 明 らか に したmRNA分
解 機 構 は 正 常 な
終 止 コ ド ン に 起 因 す る 正 常 なmRNAの
分 解 機 構 で あ
る.
Ⅸ,mRNAサ
ー ベイ ラ ンス シス テ ム
終 止 コ ド ン は 翻 訳 終 結 因 子 で あ るeRF3-eRF1に よ っ て 認 識 さ れ る こ と は 先 に 述 べ た が,正 常 な 終 止 コ ド ン と, 変 異 や 読 み 誤 り に よ っ て 生 じ た 異 常 な 終 止 コ ド ン を 見 分 け る シ ス テ ム が 生 体 に は 備 わ っ て い る.こ の よ う な シ ス テ ム はmRNAサ ー ベ イ ラ ン ス あ る い はNMDと よ ば れ て い る8).翻 訳 領 域 に ナ ン セ ン ス 変 異 を もつmRNA,イ ン ト ロ ン が ス プ ラ イ ス さ れ ず に 細 胞 質 に 運 ば れ た プ レ mRNA,uORF(upstream open reading frame)を も つ 一 部 のmRNAな ど が そ の 基 質 と な り,積 極 的 に 分 解 を 受 け る.NMD経 路 に お い て 中 心 的 な 役 割 を 果 た す 制 御 因 子 と し て は,Upf1,Upf2,Upf3が 知 ら れ て お り,酵 母 か ら ヒ ト に 至 る ま で 高 度 に 保 存 さ れ た こ れ ら の 遺 伝 子 の 変 異 は 正 常 なmRNAの 分 解 に は 影 響 を 与 え ず,ナ ン セ ン ス 変 異 を 有 す るmRNAを 特 異 的 に 安 定 化 す る こ と が 知 ら れ て い る.ま た 蛋 白 質 合 成 阻 害 剤 に よ っ て もNMD は 阻 害 さ れmRNAは 安 定 化 す る.す な わ ち,通 常 のmRNA の 分 解 過 程 に 似 て,NMD経 路 の 発 動 に も翻 訳 と の 共 役 が 必 要 で あ る.そ れ と よ く一 致 す る か の よ う に こ れ らUpf遺 伝 子 産 物 が,eRF3,eRF1と 相 互 作 用 す る こ と が 報 告 さ れ て い る49). Upf1はDNA/RNAヘ リ カ ー ゼ で あ り,そ のATPase活 性 と RNA結 合 活 性 はNMDに 不 可 欠 で あ る が,eRF3はUpf1と の 結 合 に よ っ て 両 活 性 を 阻 害 す る こ と が 示 さ れ て い る.し た が っ て,eRF3は ナ ン セ ン ス コ ド ン に お い て も 通 常 の 終 止 コ ド ン 図4翻 訳 終 結 と 共 役 し たmRNA分 解 eRF3はCド メ イ ンでeRF1を リボ ソー ム に運 搬 し,翻 訳 終 結 過 程 を 制 御 す る が,そ れ と 共 役 す る 形 でNド メ イ ン にお いてPABPと 相 互 作 用 し,ポ リ(A)鎖 の 短 縮 化 過 程(デ ア デ ニ レー シ ョン)に お い てmRNA分 解 を 制御 して い る.1239 蛋 白質 核 酸 酵 素Vol.48No.9(2003)
と同 様,コ
ド ン認 識 に お い て機 能 しNMDの
制 御 に働 い
て い る と考 え られ て い る.ま た,Upf遺
伝 子 の変 異 は,ナ
ンセ ン ス サ プ レ ッサ ー と し て も働 くこ とか ら,Upf複
合
体 はeRF3,eRF1と
と も に 通 常 の 翻 訳 終 結 過 程 に お い
て も機 能 す る こ とが 示 唆 され て い る.
NMDの
詳 細 な機 構 につ い て は 必 ず し も明 らか で は な
い が,高
等 真 核 生 物 に お い て はmRNAの
最 も3'末 端 側
に あ る エ キ ソ ンーエ キ ソ ン連 結 部 位 か ら55塩 基 以 上 上 流
に終 止 コ ドンが あ る 場 合 に,そ れが ナ ンセ ン ス変 異 と して
見 な され てNMDの
基 質 に な る と考 え ら れ て い る(-55
boundary
rule).通 常 のmRNAの
場 合,3'UTRに
はエ
キ ソ ンー
エ キ ソ ン連 結 部 位 が な い た め,NMDの
基 質 に
は な らな い.ま
た,大 部 分 の 遺 伝 子 が イ ン トロ ン を も た
な い 酵 母 にお い て は ① 翻 訳 領 域 内 にDSE(down
stream
element)が
存 在 し,こ れ よ り5'末 端 側 に あ る 終 止 コ ド
ンが ナ ン セ ン ス 変 異 と し て 見 分 け ら れ る か,あ
る い は
② 翻 訳 終 結 に 必 要 な3'UTR上
のRNP構
造 と リ ボ ソ ー
ム との 相 互 作 用 が,コ
ー ド領 域 に生 じた ナ ンセ ンス 変 異
に 由 来 す る 終 止 コ ド ン上 で は 行 な え な い こ と に よ る
“F
aux-UTR”
モ デ ル に 従 っ て分 解 を受 け る50).
一 方
,NMDに
よ るmRNAの
分 解 過 程 は 正 常 な
mRNAの
分 解 過 程 と は 異 な り,ポ リ(A)鎖 の 短 縮 化 を
介 さな い.ま ず デ キ ャ ッ ピ ン グ反 応 が 起 こ り,5'→3'方
向へ のmRNAの
分 解 過 程 が 進 行 す る(図2).
以 上 の よ う に,eRF3は
正 常 なmRNAの
分 解 経 路 に
加 え て,Upfと
の 複 合 体 形 成 を 介 して ナ ンセ ンス 変 異 を
も つmRNAの
分 解 経 路 に も 関与 す る と考 え られ,そ
の
終 止 コ ドン を 認 識 したeRF1-eRF3か
ら動 因 さ れ る こ れ
ら2種 の 分 解 経 路 の 問 の ス イ ッチ ン グ機 構 の解 明 が期 待
さ れ る.
おわ り に
本 稿 で は,主
と して 酵 母 に お け る 詳 細 なmRNA分
解
機 構 と,哺 乳 類 に お い て 明 らか に され て き た転 写 産 物 固
有 のmRNA分
解 機 構,そ
して 筆 者 らが 最 近 明 らか に し
た 翻 訳 終 結 と共 役 したmRNA分
解 機 構 に つ い て概 説 し
た.
す で に述 べ た よ う に,転 写 産 物 固 有 のmRNA分
解,
翻 訳 終 結 と共 役 し たmRNA分
解 の ど ち らの 場 合 に お い
て も,そ の 作 用 点 はmRNA3'末
端 ポ リ(A)鎖 の 短 縮 化
(デ ア デ ニ レ ー シ ョ ン)で あ り,デ ア デ ニ レー シ ョ ン は
mRNA分
解 に お い て 鍵 を に ぎ る 最 も重 要 な ス テ ッ プ で
あ る が,こ の 過 程 は翻 訳 の 調 節 に お い て もそ の重 要 性 が
しだ い に 明 らか に され つ つ あ る.と
くに,卵
の成 熟 過 程
や 胚 の 初 期 発 生 過 程 に お い て は 新 た な転 写 が 起 こ らず,
転 写 後 調 節 す な わ ちmRNAの
翻 訳 と分 解 に よ っ て 遺 伝
子 発 現 が 制 御 さ れ て い る が,そ
の 際 の 種 々 のmRNAの
翻 訳 抑 制 と再 活 性 化 の 機構 にポ リ(A)鎖 の 分 解 と細 胞 質
ポ リ ア デ ニ レ ー シ ョ ンが 関 与 し て い る.す
な わ ち,デ ア
デ ニ レー シ ョ ンはmRNAの
分 解 制 御 だ け で な く,翻 訳
制 御 にお い て も重 要 な役 割 を果 た して お り,遺 伝 子 発 現
の 転 写 後 調 節 にお け る役 割 は 非 常 に 大 きい.前 述 の とお
り,mRNAは3'ポ
リ(A)鎖 が5'キ ャ ッ プ構 造 と物 理 的
に 連 結 す る こ とで 環 状 化 構 造 を と り う るが,こ
の 環 状 化
に よ り,翻 訳 を終 え た リボ ソー ムが 次 の サ イ ク ルの 翻 訳
開 始 に効 率 的 に リサ イ ク ル され る こ とで 翻 訳 が 活 性 化 さ
れ る こ とが 示 唆 され て い る.こ
の よ う な 翻 訳 の 効 率 化
は,in vitro翻 訳 系 に お い て キ ャ ッ プ と ポ リ(A)鎖 に よ
る 翻 訳 の 相 乗 的 活 性 化 と して観 察 す る こ とが で き る.筆
者 ら は,こ の ポ リ(A)鎖 を 介 し た 翻 訳 の 相 乗 的 活 性 化 機
構 に お い て もeRF3が
重 要 な役 割 を果 た して い る こ とを
見 い だ した51).す な わ ち,翻 訳 を 終 え た リ ボ ソ ー ム が 効
率 よ く次 の翻 訳 開 始 に リサ イ ク ルす る 過 程 に 翻 訳 終 結 因
子 で あ るeRF3とPABP,翻
訳 開 始 因 子eIF4G-4Eの
相
互 作 用 が 関与 す る と考 え られ る.こ
の よ うに,翻 訳 終 結
は 単 な る 翻 訳 を終 わ らせ る た め だ け の 反 応 過 程 で は な
く,翻 訳 を終 え た リ ボ ソー ム を 次 の 翻 訳 開 始 へ 効 率 よ く
リ ク ル ー トす る過 程 や,翻 訳 を 終 え たmRNAを
分 解 す
る 過 程 と共 役 し連 動 してい る.
1)
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