蛋白質核酸酵素:真核生物mRNAの分解制御

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
myces
cerevisiaeを
分 解 さ れ る 過 程 は,近
年 と く に 酵 母Saccharo
モ デ ル 系 と して そ の 詳 細 が 解 明 され つ つ あ る が,mRNAの
の 関 係,す な わ ち,翻 訳 を 終 え たmRNAが
分 解 と翻 訳 と
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
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い だ した.
遺 伝子発現mRNA分
解
翻訳終 結
は じめ に
転 写 され たmRNAが
こ れ まで の 遺 伝 子 発 現 の 研 究 は 転 写 が 主 流 で あ り,転
訳 を受 け る た め,転 写 以 後 の 調 節 機構 が 遺 伝 子 発現 調 節
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
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
なか っ た の が 実 情 で あ る.大 腸 菌 を は じめ とす る原 核 生
られ る.実 際,真 核 生 物 にお い てmRNAの
物 にお い て は,転
遺 伝 子 発 現 調 節 に 大 き くか か わ る こ と を示 す 例 が,近 年
写 と翻 訳 は 連 動 して 起 こ る た め遺 伝 子
一 度 核 外 に 輸 送 され て は じめ て 翻
代 謝過 程が
発 現 は転 写 レベ ル で の 調 節 が 主 体 とな るが,真 核 生 物 に
し だ い に 集 積 しつ つ あ る.最
も初 期 の 研 究 で は,10種
お い て は核 と細 胞 質 は 核 膜 に よ っ て 物 理 的 に 隔絶 さ れ,
類 の 普 遍 的 なハ ウ ス キ ー ピ ン グ 遺 伝 子 に つ い てmRNA
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
平 均 約210塩
3'UTRか
加 え て ヒ トで は
基 の5'UTRと
約1kbの
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
す る こ とでmRNAは
結合
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
Shinichi
Hoshino,東
Regulation
り許可 を得 て 転 載)
京 大 学 大 学 院 薬 学 系 研 究 科 生 理 化 学 教 室E-mail:[email protected]
of mRNA decay in eukaryote
蛋 白 質 核 酸 酵 素Vol.48No.9(2003)
1229
の 蓄 積 量 とmRNAの
果,mRNAの
安 定 性 や 転 写 との 関 係 を調 べ た 結
蓄 積 量 は 転 写 速 度 を 反 映 せ ず,む
mRNAの
しろ
Ⅰ.一般 的 なmRNAの
安 定 性 に よ っ て 規 定 さ れ て い る こ とが 示 さ れ
構 造 的 特 徴:mRNA環
状化
構造(図1)
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.
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
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
たmRNAの
基,酵
な わ ち,転 写 時 お よ び転 写 後
母 で は60∼90残
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
基(最 長2.8kb)の5'非
い え る.ま た,卵 の 成 熟 過 程 や 初 期 胚 の 発 生 過 程 に お い
長8.6kb)の3'非
分 解 と翻 訳 の 調 節 に よ り遺 伝 子 発 現
は ヒ トで200∼250残
訳 開始
ら 終 止 コ ド ン(UAA,UGA,UAG)ま
蛋 白 質 コ ー ド領 域(ORF)以
て,母 性mRNAの
端 ポ リ(A)
基 と 報 告 さ れ て い る.翻
の 調 節 機 構 の 利 点 は,こ の よ う な外 界 か らの 刺 激 に 迅 速
mRNAは
べ て のmRNAに
端 キ ャ ッ プ 構 造 と3'末
写 直 後 の ポ リ(A)鎖
コ ド ンAUGか
構 造 的 特 徴 につ い
れ な 例 外 を 除 き,す
共 通 す る 構 造 は5'末
鎖 で あ る.転
安 定 性 制 御 が 重 要 な役 割 を 果 たす こ とが 明
ず 一 般 的 なInRNAの
て 概 説 し た い.ま
子 な どの 発 現 に お い て,細 胞 外 か らの シ グ ナ ル に 応 答 し
らか に さ れ て きて い る.す
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mRNAの
外 に,ヒ
での
トで は 平 均210塩
翻 訳 領 域(5'UTR),平
翻 訳 領 域(3'UTR)が
均1kb(最
存 在 す る.
直 鎖 状 構 造 を と る と 考 え ら れ て い た が,そ
が 制 御 され る とい う例 は,転 写 後 調 節 機 構 の 重 要 性 を示
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
す 顕 著 な 例 で あ る.そ
告 さ れ て お り2∼4),長 い 間 そ の 問 題 は 未 解 明 で あ っ た.
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
ご く 最 近,5'末
現 制 御,神
が,ま
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.
態制
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
酵 母 に お け る 詳 細 なmRNA分
と して
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
機構,そ
解
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
端 ポ リ(A)鎖
に は ポ リ(A)結
PABP1[poly(A)-binding
こ の よ う な遺 伝 子 発 現 調 節 の ほ か に,mRNA動
御 の 主 要 な 役 割 と して,mRNAの
た3'末
端 キ ャ ッ プ 構 造 に は 翻 訳 開 始 因 子eIF4E
解 機 構 に つ い て 紹 介 す る.
scaffold蛋
protein]が
結 合 し,両
者 が
白 質 で あ る 翻 訳 開 始 因 子eIF4G(eukaryotic
initiation factor4G)を
が 報 告 さ れ,実
介 して 三 者 複 合 体 を形 成 す る こ と
際 に こ れ ら の 翻 訳 因 子 とmRNAと
構 成 実 験 に よ りmRNAが
の再
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
ソ ー ム サ ブ ユ ニ ッ トを 結 合 す るeIF3と
と で,翻
合 蛋 白 質
訳 開 始 を 促 進 す る こ と が 示 さ れ て い る.こ
う なPABP1と
mRNAの
ボ
相 互作用 す る こ
の よ
翻 訳 開 始 複 合 体 と の 結 合 を 介 し た
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
略
ARE
: AU-rich element
eEF1A
eIF
eRF
NMD
Nudix
:
:
:
:
:
PABP
PRE
TTP
1230
号
eukaryotic elongation factor 1A
eukaryotic initiation factor
eukaryotic releasing factor
nonsense-mediated
mRNA decay
nucleoside
dephosphate
linked to some
other moiety, X
: poly (A) -binding protein
: polypyrimidine-rich element
: tristetraprolin
蛋 白 質 核 酸 酵 素Vol.48No.9(2003)
訳 の 効 率 を 高 め る 一 方 で,エ
端 か ら のmRNA分
は,こ
の よ うに 翻
キ ソ ヌ ク レ アー ゼ に よ る末
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.
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図2真
核 生 物 のmRNA分
真 核 生 物 のmRNA分
解 経路
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
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
て い る.ま たNSD(non-stop
decay)は
デ ア デ ニ レー シ ョン
路 とエ ン ドヌ ク レ アー ゼ 経 路 が 知 ら れ
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.
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
(A)鎖 は60∼90残
基 の 長 さ を 有 す る が,こ
ポリ
れ が約10残
は,上
記 の 経 路 と は 異 な り,そ
ン グ 反 応 で あ り,そ
し,mRNAは
の 第1段
の 後5'→3'方
向 の 分解 経路 が 進 行
急 速 に 分 解 を 受 け る.こ
NMD(nonsense-mediated
て い る8).ま
た,終
mRNA
合 に は,NSD(non-sto
pdecay)と
端 ポ リ(A)鎖
解 が 進 行 す る.こ の 分 解 経 路 が 通 常 のmRNA分
る9,10).
こ の よ う にmRNA分
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
の 分 解 の 第1段
のmRNAに
で あ る.ま
mRNA分
は,5'キ
の 場 合 に は3'末
向へ の 経 路 で 分 解 が進 行 す
解 の 鍵 を に ぎる構 造 的 な特 徴
ャ ッ プ 構 造,3'ポ
リ(A)鎖,そ
して 終 止 コ ドン
で あ る.
路 の い ず れ の 場 合 に お い て も,そ
階 は デ ア デ ニ レー シ ョン に あ り,大 部 分
お い て こ の 過 程 がmRNA分
た,こ
か ら3'→5'方
場
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
そ の 代 替 経 路 と して,デ
路 と よば れ
止 コ ド ン の な い 異 常 なmRNAの
断 を受 け(デ キ ャ ッ ピ ン グ),一 義 的 に5'→3'方 向 へ の分
け る 主 要 経 路 で あ る.
の 分 解 経 路 は
decay)経
基 程 度 に まで 短 縮 化 さ れ る と,5'末 端 キ ャ ップ構 造 が 切
解 にお
階 はデキ ャッピ
解 の律 速段 階
の デ ア デ ニ レー シ ョン速 度 の 調 節 が,
解 の 制 御 に 最 も効 果 的 で あ る7)。
に ナ ン セ ンス
変 異(終 止 コ ドン)が 挿 入 さ れ た 異 常 なmRNAの
通 常 のmRNA分
解 の 第1段
場合に
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
Pan2-Pan3(PAN)複
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
1.デ ア デニ レー シ ョン過程(表1)
つ で あ る11).Pan2-Pan3複
合 体 の2
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
れ た ポ リ(A)鎖
ア デ ニ レ ー ス は,
合 体 とCcr4-Pop2-Not複
写 直 後 に付 加 さ
を転 写 産 物 に固 有 の 長 さ に トリ ミ ン グす
蛋 白 質 核 酸 酵素Vol.48No.9(2003)
1231
核 生物 のmRNA分
解 を制御 す る 因子群
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表1真
酵 母 に お いて 遺 伝学 的 ・生 化 学 的 に解 明 さ れ た 因子 と,ヒ
る 過 程 に 働 く 酵 素 と し て 報 告 さ れ た.Pan2は
RNaseDフ
ァ ミ リ ー に 属 す る3'→5'エ
構 造 上
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
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
アデ ニ
は じ
トにお い て 同定 さ れ たそ の 相 同 因子 を示 す.
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
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
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
れ,発
子 と し て 同 定 さ れ た.Pop2はRNaseDフ
あ らゆ る臓 器 で発 現 して い る こ と や,HeLa細
しCcr4と
と も に3'→5'エ
て い る が,Ccr4が
ァ ミ リー に 属
キ ソ ヌ ク レア ー ゼ を コ ー ドし
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
欠 損 株 で は,デ
と か ら,こ
ア デ ニ レ ー ス 活 性 を ま っ た く示 さ な い 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
1232
二 重
か し な が ら,両
蛋 白 質 核 酸 酵素Vol.48No.9(2003)
者の使 い分 けの
デ アデ
生 過 程 に お け る役 割 が 注 目 さ れ て い た.し か し,
中 で のin vitro mRNA分
胞抽 出液
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
化 す る 点 に あ る.し
ア デ ニ レー ス活 性 が 活 性
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
お い てPARN-DANは
mRNA分
存 在 し な い こ と か ら,特
解 に か か わ る 可 能 性 も 考 え ら れ る.
Nocturninは
の 研 究 で あ り,Xenopusの
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
ご く最 近 に な っ て 発 見 さ れ た 第4番
デ ア デ ニ レ ー ス で あ る15).発
目の
見 の き っ か け は概 日 リ ズ ム
光 受 容 体 特 異 的 に 発 現 し,夜
と と も にeIF4EやeIF4GがmRNAか
7-Pat1複
ら解 離 し,Lsm1-
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
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
Dhh1はLsm1-7-Pat1複
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
複 合 体 と も 相 互 作 用 す る こ と が 報 告 さ れ て お り,デ
さ れ た.そ
ニ レ ー シ ョ ン と デ キ ャ ッ ピ ン グ/5'→3'分
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
が 示 さ れ て い る.し
間 を周 期 と し て 日内 変 動 す る こ と
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
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異 的 な
の 関 与 も 否 定 で き な い.Nocturninは
り普 遍 的 な 機 能 へ
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
(A)鎖
く最 近,ポ
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
合 体 と と も にPop2-Ccr4-Not
高等真核 生物 に特徴 的
アデ
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
mRNAは
解 過程
デ キ ャ ッ ピ ン グ 後,5'→3'方
進 行 し,mRNA本
体 が 壊 さ れ る が,こ
と よ ば れ る5'→3'エ
Pat1複
向へ の分解 が
の 反 応 に はXrn1
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
リ
た,
合 体,Dcp1-Dcp2複
の 酵 素 は 細 胞 内 に お い てLsm1-7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
な デ ア デ ニ レ ー ス で あ る.
上 述 の と お り,正
2,デ キ ャッピン グ過程
ポ リ(A)鎖
端 キ ャ ップ構 造 の切
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
Dcp1,Dcp2の
う ち,MutT-Nudix(nucleoside の サ ブユ ニ ッ ト
dephos
phate linked to some other moiety,X)モ
Dcp2が
チ ー フ を もつ
触 媒 サ ブ ユ ニ ッ ト で あ り,Dcp1はDcp2と
結 合 しDcp2に
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
るRNA結
状 型 の7量
合 蛋 白 質 複 合 体Lsm1-7-Pat120),液
質 輸 送 因 子Vps1621),DEADボ
す るRNAヘ
リ カ ー ゼDhh122)を
(enhancer of decapping)1,Edc223)な
体 を形成す
類 の 蛋 白 質 か ら な る 分 子 量300∼400Kの
合 体 で あ り,10種
解経
キ ソ リ ボ ヌ ク レ ア ー ゼ 活 性 を 有 す る.エ
胞 質 と 核 の 双 方 に 局 在 す る が,核
snRNA(small キ ソ ソ ー ム は細
の エ キ ソ ソ ソーム は
nuclear RNA),rRNA,snoRNA(small cleolar RNA)な
nu
ど の プ ロ セ シ ン グ と分 解 を 制 御 す る の に
た,エ
Ski8複
巨大 な分子複
類 す べ て の サ ブ ユ ニ ッ ト が3'→5'エ
胞 質 の エ キ ソ ソ ー ム がmRNAの
合 蛋 白 質Edc
の3'→5'分
キ ソ ソ ー ム と は 少 な く と も10種
る27).ま
分解 にかか わ
キ ソ ソ ー ム の 補 助 因 子 で あ るSki2/Ski3/
合 体 とSki7が,エ
キ ソ ソ ー ム に よ るmRNA分
解
に 必 要 で あ る.
ど で あ る.Lsm1-
キ ャ ッ ピ ン グ に 必 要 な 因 子 で あ り,NMDの
因 子 複 合 体eIF4F(eIF4EとeIF4Gが
て 制 御 さ れ て い る.エ
対 し,細
は じ め,Dcp1-Dcp2
路 は補 助 的
路 は エ キ ソ ソ ー ム ーSki複 合 体 と よ ば れ る 酵 素 群 に よ っ
ッ ク ス フ ァ ミリ ー に 属
通 常 の デ ア デ ニ レ ー シ ョ ン依 存 性 の デ
ッ ピ ン グ 反 応 に は 関 与 し な い.ま
な 役 割 を 果 た し て い る と 考 え ら れ る.こ
胞 の蛋 白
を 直 接 活 性 化 す る 低 分 子 量 のRNA結
7-Pat1,Dhh1は
直接
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
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
が 除 去 さ れ る と,5'末
断 が 起 こ る が,こ
常 なmRNA分
た こ れ に 対 し,翻 訳 開 始
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 Ⅲ.高 等真核生物のmRNA分
解経路
際の デキ ャ
ribonu
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
哺 乳 類 のmRNA分
くに
解 経 路 の 詳 細 に つ い て は不 明 な点 が
多 い.
蛋 白質 核 酸 酵 素Vol.48No.9(2003)
1233
ま ず,mRNA分
解 の 第1段
母 と 同 様,デ
階 が 哺 乳 類 に お い て も酵
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
プ が 酵 母 と は 異 な り,哺
か し な が ら,次
乳 類 で は3'→5'方
向 の分 解 経 路
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
の3'UTRに
よ る αグ ロ ビ ンmRNA
お け る 分 解 は,デ
ア デ ニ レー シ ョ ン を 経 ず
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
に グ ロ ビ ン遺 伝 子 の 急 速 な 分 解 を 可 能 に し て い る.ま
た28∼32).最 初 の 報 告 はARE(AU-riche
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
も つ 不 安 定 なmRNAで
lement)(後
あ るc-myc
mRNAを
述)を
用 い たin
vitro分 解 系 に 基 づ く も の で あ る28).そ
の 後,や
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
3'→5'方
お い て は,エ
AREは
解 経 路 を 触 媒 す る が,
こ の エ キ ソ ソ ー ム に よ る 分 解 を 促 進 す る.ま
エ キ ソ ソ ー ム はARE-mRNAの
同 定 さ れ て い る.
Ⅴ.転 写 産物 固 有 のmRNA分
解制 御(表2)
キ ソソー ム による
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
ア ー ゼRNase1が
た
は りin
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
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のス テ ッ
9E3,α
た
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
以 上 述 べ て き た よ う に,mRNA分
3'ポ リ(A)鎖
解 は5'キ ャ ップ と
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
つ こ と に な る.と
すべ て同 じ ような寿 命 を も
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
キ ャ ッ プ 構 造 ま で 到 達 し た と こ ろ で,DcpS(scavenger
け る も の まで 多 岐 に わ た る.最 近 の トラ ンス ク リプ トー
decapping
ム解 析 の結 果 で は,mRNAの
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
近PRE(polypyrimidine-richelement,後
グ ロ ビ ン のmRNAに
続 く3'→5'経
関 し て も,デ
述)を
く最
も つ α-
アデニ レー シ ョンに
路 で 分 解 を受 け る こ とが 報 告 され て い
る34).
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
度(リ ボ ソー ム に よ るmRNAの
も 酵 母 と 同 様,デ
ン グ と5'→3'分
乳類 において
ア デ ニ レ ー シ ョ ン依 存 性 の デ キ ャ ッ ピ
解 経 路 の 存 在 を 裏 づ け る 結 果 も報 告 され
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
そ の 一 方 で こ の よ う な 報 告 と は 別 に,哺
の リ ボ ソー ム の 密
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
哺 乳 類 に お け るmRNA分
増 殖 因 子,転
解 の 研 究 が,サ
写 因 子,癌
れは
イ トカ イ ン,
原 遺 伝 子 な ど非 常 に不 安 定 な初
て い る.す な わ ち,哺 乳 類 に お い て もDcp1,Dcp2,Pop2,
期 応 答 遺 伝 子 のmRNAや,グ
ロ ビ ン遺 伝 子 な ど に 代 表
Xrn1,Lsm1-7が
さ れ る非 常 に 安 定 なmRNAを
対象 に進 ん で きたため で
存 在 す る と い う 事 実 で あ る.と
近 単 離 さ れ た ヒ トDcp2に
ポ リ(A)に
くに最
よ る デ キ ャ ッ ピ ン グ 反 応 は,
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
あ る.こ
の よ うな 転 写 産 物 固 有 のmRNAの
と して3'UTRに
る.そ
分 解 は,主
存 在 す る シ ス配 列 に よ り制 御 さ れ て い
の 代 表 例 が 次 に示 すAREとPREで
あ る.
乳 類 に お い て も機 能 し て い る こ と を 間 接 的 に 示 して い
1,不 安 定化 シ ス配列AREを
る18).
癌 遺 伝 子,サ
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
くつ か の 特 殊 な 例
イ トカ イ ン,増 殖 因 子,転
半 減 期 の 短 いmRNAの3'UTRに
AREが
ヌ ク レ ア ー ゼ に よ る も の で あ る が,い
ル ブ ミ ン,ア ポ リ ポ プ ロ テ イ ン Ⅱ,c-
ケ モ カ イ ンのmRNAに
myc,Groα,IGF2,ト
ラ ンス フ ェ リ ン受 容 体,XIhbox2B,
酵 素Vol.48No.9(2003)
ら
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
て い る(図2).ア
核酸
基 本 配 列 はAUUUAか
な る5塩 基 の 配 列 で あ るが,そ
Ⅲ は 癌 原 遺 伝 子mRNAに,ク
蛋 白質
写 因 子 な ど,
は 不安 定 化 シス 配列
存 在 す る37).AREの
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
1234
もつmRNA
ラス1と
ラ ス Ⅱ は サ イ トカ イ ンや
多 くみ ら れ る.ま
の 多 様 性 と対 応 す る か の よ う にARE結
た こ れ らARE
合 蛋 白 質 も多 数
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表2転
写産物 固有 のmRNA分
同 定 さ れ て い る.そ
解 にか かわ る シス因子 と トラ ンス因子
の 代 表 例 がAUF1-hnRNPD,HuR-
で あ るCOX-2のmRNAは
HuA,TTP,TIA-1,TIAR,HuC,HuD,HuB/Hel-N1で
安 定 化 す る が,こ
あ り,そ の ほ か 酵 素 活 性 を 有 す る 乳 酸 デ ヒ ド ロ ゲ ナ ー ゼ,
[(CUG)n
GAPDH (glyceraldehydes
が 関 与 し て い る.し
3-phosphate
dehydrogenase),
紫 外 線 や γ線 照 射 に よ っ て
の 安 定 化 に はAREへ
triplet repeatRNA-binding
COX-2mRNAの
PM-Scl75な
と は 対 照 的 に,HuR(Hu
基 本 的 にAREは
不 安 定 化 配 列 で あ り,デ
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
が,あ
る 種 のmRNAに
レ ス に よ るARE-mRNAの
が,そ
解 を ひ き 起 こ す.と
ころ
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
常ARE-mRNAの
ア デ ニ レー
表 的 な 例 は,熱
ショックス ト
安 定 化 で あ る.AUF1は
通
不 安 定 化 に 働 く蛋 白 質 因 子 で あ る
のARE-mRNAの
ソ ー ム 系 に よ るAUF1の
分 解 は,ユ
ビ キ チ ンープ ロ テ ア
分 解 と 密 接 に 連 関 し て い る.
protein2]の
か し,CUGBP2のAREへ
AUH (enoyl CoA hydratase),
3-oxoacyl-CoA thiolase
- Hsp (heat shock protein) 70, Hsc70, CUGBP2, KSRP,
ど で あ る.
のCUGBP2
の結合 は
翻 訳 を 抑 制 す る の で,結
胞 に お け るCOX-2の
結 合
果 的 には 癌 細
フ ァ ミ リ ーRNA結
発 現 抑 制 に 働 く39).AUF1やTTP
antigenR)を
は じめ とす るHu
合 蛋 白 質 はARE-mRNAを
る が,ARE-mRNAの
安定化 す
の よ う なARE結
安 定 化 と 不 安 定 化 の 制 御 に は,こ
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
球 が 脱 核 し て 赤 血 球 に 成 熟 す る 過 程)で
mRNAの95%を
核 の赤芽
細胞全体 の
占 め る ま で に 蓄 積 す る.こ の 過 程 で
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
はす で に 転 写 は 停 止 状 態 に あ り,こ の よ う なmRNAの
化 し,誘
核 に局在化 す る こ
構 成 変 化 はmRNAの
安 定 化 す る38).ま
す な わ ち グ ロ ビ ンmRNAを
導 さ れ たHsp70がAUF1を
と に よ っ て 細 胞 質 のARE-mRNAは
た,ア
ラ キ ド ン酸 を プ ロ ス タ グ ラ ン ジ ン に 変 換 す る 酵 素
安 定 性 の 変 動 に よ る もの で あ る.
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
蛋 白質 核 酸 酵素Vol.48No.9(2003)
1235
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
情 報 伝 達 系 を 介 し て 制 御 さ れ て い る.
も よ ば れ る]
ナ ー ゼ を 介 し た 情 報 伝 達 系 に よ るARE
が 存 在 し て お り,こ
こ に α複 合 体 と よ ば れ る 蛋 白 質 複
mRNAの
合 体 が 結 合 す る.α
複 合 体 の 構 成 因 子 で あ る αCP1,
か わ る 遺 伝 子 の 発 現 調 節 に 重 要 な 役 割 を 果 た して い
αCP2は,ポ
合 蛋 白 質PCBPの
る42∼44).COX2,TNF-α,IL-3,IL-6,IL-8,MIP1α,
リ(C)結
に 結 合 す る と 同 時 にPABPに
ニ レ ー シ ョ ン を 抑 え,α
る.ま
一 員 で あ り,PRE
も結合 す る ことで デ アデ
グ ロ ビ ンmRNAを
安 定化 す
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
サ ラ セ ミ ア(と
安 定 化 の 機 構 は,α
く に α-Constant
Spring変
分 解 制 御 は,細
胞 増 殖,分
異)の
研 究 に
ら れ る α グ ロ ビ ン 遺 伝 子 の 変 異 に 起 因 す る も の で あ り,
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
ARE結
ど のmRNAに
MAPK経
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'
こ の グ ル コ ー ス 刺 激 に 伴 うmRNAの
有 し グ ル コ ー ス に よ り安 定 化 す る が,
に お け る α複 合 体 形 成 を 阻 害 す る こ と に よ り αグ ロ ビ
は りp38MAPK経
ンmRNAの
っ て,こ
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
分 解 が 進 行 し て 最 終 的 にDcpSに
起 こ る.PCBPは
α-CP1∼
が 同 定 さ れ て お り,α
ビ ン,α コ ラ ー ゲ ン,エ
シ ゲ ナ ー ゼ,チ
の 後3'→5'の
α-CP4とhnRNP-Eの5種
グ ロ ビ ンmRNAの
類
ほ か,β
路 の 介 在 が 示 さ れ て い る46).し
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
JNK(c-Jun
じ くMAPキ
N-terminal
活 性 化 の 際 に 安 定 化 を 受 け る が,こ
mRNAの5'UTR上
高濃度 の グル コース存
以 上 増 大 し安 定 化 す る.イ
mRNAの3'UTRに
は や は りPREが
ンス リ ン
存 在 す る が,こ
の
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
は,同
以 上 の よ う に,転
写 産 物 特 異 的 なmRNA分
わ る シ ス の 因 子 は お も にmRNAの3'UTRに
mRNAの
と え ば,酵
母 にお い て
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
解 にかか
存 在 し,
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
解 制 御 機 構
じ機 能 を共 有 す る転 写 産 物 の グ ル ー プ単 位 で 働 い
解 糖 系 や 糖 新 生 系,TCAサ
安 定 化 す る41).
の 場 合 に はIL-2
トラ ン ス の 因 子 で あ るYB-1,ヌ
tract-bindingprotein)が
ン ス リ ンmRNAを
胞 の
re
て い る 可 能 性 が 示 さ れ て い る.た
グ ル コ ー ス に 依 存 し てPREに
し たIL-2
に 存 在 す る シ ス 配 列JRE(JNK
場 合 に は α 複 合 体 と は 異 な るPTB(polypyrimidine
結 合 し,イ
路 を 介
安 定 性 制 御 で あ る.IL-2mRNAはT細
sponseelement)と
在 下 で 半 減 期 が2倍
kinase)経
ポ キ
ロ シ ン ヒ ド ロ キ シ ラ ー ゼ な ど のmRNA
ン ス リ ン のmRNAは
ナ ー ゼ フ ァ ミ リー に 属 す る
mRNAの
リ ス ロ ポ エ チ ン,CD81,リ
たが
考 え ら れ る.
グ ロ
の 安 定 性 を 制 御 し て い る.
ま た,イ
安 定化 の 過程 にや
の よ うな 機構 は真 核 生 物 に普 遍 的 に存 在 す る と
さ ら に,こ
よるデキ ャ ッピングが
お い ては
路 に よ る リ ン 酸 化 を 介 し て こ れ ら のmRNAの
UTRにAREを
安 定 化 が 障 害 を 受 け る と 考 え ら れ て い る.
く
合 蛋 白 質 で あ るTTP(tristetraprolin)がp38
αグ ロ ビ ン の 終 止 コ ド ンの 変 異 に よ っ て 翻 訳 終 結 が 起
ス キ ャ ン し続 け てPRE
ナ
ー ゼ 経 路 に よ る 制 御 を 受 け る こ と が 示 さ れ て い る .と
こ らず,リ
ボ ソ ー ム が3'UTRを
化 や免疫 応 答 にか
GMCSF,VEGF,ウ
に,TNF-α,GMCSF,IL-3な
端 を 発 す る.こ の 疾 患 は 東 南 ア ジ ア に お い て 高 頻 度 で み
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p38MAPキ
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.
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
14の
ロ テ ア ソー ム の コ ア を 構 成 す る
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
Ⅵ.情 報伝達によるmRNA分
分 解 速 度 を も つ こ と が 報 告 さ れ て い る.こ
解の制御
mRNA分
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
1236
る種 のmRNAは
蛋 白 質 核 酸 酵 素Vol.48No.9(2003)
い くつ か の
解 に お い て も 転 写 同 様,同
節 さ れ る 制 御 単 位(regulon)が
れ て い る36).
の よ うに
じ機 構 に よ っ て 調
存 在 す る可 能 性 が指 摘 さ
PABP1はmRNAの3'末
Ⅶ.翻 訳 終 結 が 正常 なmRNA分
解 の トリガー と し
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
は お も に酵 母 に お い て 解 析 が 進 ん で お り,①mRNA上
て働 く
の ポ リ(A)鎖 と 結 合 す る こ と に よ りmRNAを
上 述 し た 転 写 産 物 固 有 のmRNA分
に 正 常 なmRNAの
場 合,分
解 と は 別 に,と
く
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
ら は,翻
訳 終 結 機 構 を 解 析 す る 過 程 で,翻
のmRNA分
者
訳終結が通常
解 の ト リガ ー と な る こ と を 見 い だ し た
(Hosoda,N.e
る こ と,②
mRNAを
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会 合 す るこ とで
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.
の過 程 か ら
Ⅷ.eRF3はmRNA分
成 り立 っ て い る が,翻 訳 終 結 は 終 結 因 子eRF(eukaryotic
b).翻
翻 訳 開 始 因 子eIF4Fと
安 定化 す
tal.:投 稿 中).
真 核 生 物 の 翻 訳 は 開 始 ・伸 長 ・終 結 の3つ
releasing
機能
factor)1,eRF3に
訳 開 始,伸
部 位 に く る と,eRF1は
こ れ を 認 識 し て 結 合 し,合
成 し
の と きeRF3
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
分解 過 程 を制 御 す る
止 コ ド ン が リ ボ ソ ー ムA
た ポ リ ペ プ チ ド鎖 の 解 離 を ひ き 起 こ す.こ
は,eRF1を
(A)鎖 の デア デ ニ レー シ ョン に働 きmRNAの
よ っ て 制 御 さ れ て い る(図3
長 を 経 て,終
解 の 律速段 階 であ る ポ リ
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
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
な る 固 有 のN末
ミノ酸 か ら
端 領 域(Nド
イ ン)とeEFIAと
す る 約400残
(Cド
メ
相 同性 を 有
基 のC末
端 領 域
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
図3翻
を 用 い てeRF3ヒ
トT細
ラ イ ブ ラ リ ー か らNド
胞 の
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}.
訳 終 結 因 子eRF3の
(a)eRF3の1次
機能
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
終 結 過程 を制 御 して い る,eRF3のNド
リボ ソ ー ム に 運搬 す る こ と で翻 訳
メイ ン は翻 訳 終結 に は直 接 関与 せ ず,PABPと
の結 合
蛋 白 質 核酸 酵 素Vol.48No.9(2003)
1237
に か かわ る,
お い て 制 限 温 度 下 にmRNAの
のmRNA分
安 定 化 が 観 察 さ れ た.こ
解 系 の 異 常 は,野 生 型eRF3の
完 全 に相 補 され た.ま
eRF3Nド
た,PABPと
導入 に よ り
の相互作用 に必要 な
メ イ ンの 欠 失 変 異 株 は,翻 訳 終 結 過 程 に は ま
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
も に終 止 コ ド
分 解 機 構 で あ り,と
っ た く異 常 が み られ な い が,調 べ た す べ て のmRNAに
ンの 異 常 に よ っ て 起 こるmRNA分
お い て 安 定 化 が 観 察 され,分 解 系 に異 常 を きた して い る
して,筆
こ とが 示 さ れ た.eRF3Nド
終 止 コ ド ン に 起 因 す る 正 常 なmRNAの
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
PABPと
た が っ て,eRF3は
解 で あ る.こ れ に対
者 らが 明 らか に したmRNA分
解機 構 は正常 な
分解機構であ
る.
Ⅸ,mRNAサ
ー ベイ ラ ンス シス テ ム
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
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なmRNAの
mRNAの
翻 訳 さ れ な い が,こ
安 定 性 はeRF3のNド
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,
の よ うな
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
メイ ン欠失 に よ って影
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
響 を受 け な い こ と を見 い だ した.こ の 結 果 は,eRF3が
ム はmRNAサ
ー ベ イ ラ ン ス あ る い はNMDと
翻 訳 と 共 役 したmRNAの
い る8).翻
訳 領 域 に ナ ン セ ン ス 変 異 を もつmRNA,イ
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
シ ョ ン と そ れ に ひ き続 くmRNAの
と考 え られ る(図4).同
よばれて
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
デ アデ ニ レー
部 のmRNAな
ど が そ の 基 質 と な り,積 極 的 に 分 解 を 受
分 解 を制 御 して い る
け る.NMD経
路 に お い て 中 心 的 な役 割 を 果 た す 制 御 因
様 の 実 験 結 果 は,高 等 真 核 細 胞
に お い て も観 察 さ れ た.
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
終 止 コ ド ンに 起 因 す るmRNA分
解 とい う観 点 か ら 考
変 異 は 正 常 なmRNAの
え る と,前 例 が な い わ けで は な い.す で に述 べ た よ う に
ン ス 変 異 を 有 す るmRNAを
NMDはmRNAの
知 ら れ て い る.ま
ナ ンセ ン ス変 異 に 伴 っ て 生 じ る異 常
分 解 に は 影 響 を 与 え ず,ナ
ンセ
特 異 的 に 安 定 化 す る こ とが
た 蛋 白 質 合 成 阻 害 剤 に よ っ て もNMD
は 阻 害 さ れmRNAは
る.す
な わ ち,通
安 定化す
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
物 が,eRF3,eRF1と
伝 子 産
相互作用
す る こ と が 報 告 さ れ て い る49).
Upf1はDNA/RNAヘ
で あ り,そ
RNA結
リカーゼ
のATPase活
合 活 性 はNMDに
性 と
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
図4翻
訳 終 結 と 共 役 し たmRNA分
eRF3はCド
メ イ ンでeRF1を
す る 形 でNド
1238
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
メ イ ン にお いてPABPと
ョン)に お い てmRNA分
解
相 互 作 用 し,ポ リ(A)鎖 の 短 縮 化 過 程(デ ア デ ニ レー シ
解 を 制御 して い る.
蛋 白 質 核 酸 酵 素Vol.48No.9(2003)
る こ と が 示 さ れ て い る.し
っ て,eRF3は
たが
ナ ンセ ンス コ ド
ン にお い て も 通 常 の 終 止 コ ドン
と同 様,コ
ド ン認 識 に お い て機 能 しNMDの
て い る と考 え られ て い る.ま た,Upf遺
制 御 に働 い
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
体 はeRF3,eRF1と
合
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
い が,高
しだ い に 明 らか に され つ つ あ る.と
等 真 核 生 物 に お い て はmRNAの
最 も3'末 端 側
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
詳 細 な機 構 につ い て は 必 ず し も明 らか で は な
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
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
デ ニ レー シ ョ ンはmRNAの
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
制 御 にお い て も重 要 な役 割 を果 た して お り,遺 伝 子 発 現
見 な され てNMDの
の 転 写 後 調 節 にお け る役 割 は 非 常 に 大 きい.前 述 の とお
boundary
基 質 に な る と考 え ら れ て い る(-55
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
は な らな い.ま
基質に
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
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あ る が,こ の 過 程 は翻 訳 の 調 節 に お い て もそ の重 要 性 が
element)が
stream
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
② 翻 訳 終 結 に 必 要 な3'UTR上
ム との 相 互 作 用 が,コ
のRNP構
るい は
造 とリボ ソー
ー ド領 域 に生 じた ナ ンセ ンス 変 異
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
は,in
の よ う な翻 訳 の効 率化
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
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
構 に お い て もeRF3が
mRNAの
子 で あ るeRF3とPABP,翻
分 解 過 程 と は 異 な り,ポ リ(A)鎖 の 短 縮 化 を
分 解 制 御 だ け で な く,翻 訳
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
訳 開 始 因 子eIF4G-4Eの
相
介 さな い.ま ず デ キ ャ ッ ピ ン グ反 応 が 起 こ り,5'→3'方
互 作 用 が 関与 す る と考 え られ る.こ
向へ のmRNAの
は 単 な る 翻 訳 を終 わ らせ る た め だ け の 反 応 過 程 で は な
分 解 過 程 が 進 行 す る(図2).
以 上 の よ う に,eRF3は
加 え て,Upfと
も つmRNAの
正 常 なmRNAの
分解 経 路 に
の 複 合 体 形 成 を 介 して ナ ンセ ンス 変 異 を
分 解 経 路 に も 関与 す る と考 え られ,そ
終 止 コ ドン を 認 識 したeRF1-eRF3か
の
の よ うに,翻 訳 終 結
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.
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.
1)
2)
おわ り に
本 稿 で は,主
と して 酵 母 に お け る 詳 細 なmRNA分
解
3)
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
4)脇
5)
た.
翻 訳 終 結 と共 役 し たmRNA分
解,
解 の ど ち らの 場 合 に お い
6)
7)
8)山
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
山 素 明 ・矢 崎 和 盛:蛋
白質
核 酸
酵 素,46,1836-1841
(zoos)
解 機 構 に つ い て概 説 し
す で に述 べ た よ う に,転 写 産 物 固 有 のmRNA分
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北 海 道 大 学 大 学 院 薬 学 系 研 究 科修 士 課 程 修 了,
東 京 大 学 大 学 院 薬 学 系 研 究 科 博 士 課 程 入 学.1989年
同 博 士 課 程 中 退.1989年
東 京 大 学 薬 学 部 助 手.2001年
学 院 薬 学 系 研 究 科 講 師.研
心 事 ・抱 負:RNA動
の 謎 を 解 明 した い,
究 テ ー マ:遺
同大
伝子発 現の転写 後
態の 解析 を通 して生 命現 象