ナノ古細菌アラニルtRNA合成酵素と遺伝暗号の進化の解明
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21K06293
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 45020:Evolutionary biology-related
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| Research Institution | Tokyo University of Science |
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Principal Investigator |
田村 浩二 東京理科大学, 先進工学部生命システム工学科, 教授 (30271547)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
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| Keywords | tRNA / 遺伝暗号 |
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| Outline of Research at the Start |
最小のゲノムサイズを有する古細菌・Nanoarchaeum equitans(ナノアーキア)のアラニルtRNA合成酵素(AlaRS)は、α鎖のみではG3:U70塩基対に依存しないアミノアシル化活性があり、β鎖が加わると初めてG3:U70塩基対に依存した活性を生み出すことが明らかになった。しかしながら、これらの過程で、α鎖やβ鎖がtRNAやAlaを認識する分子機構には多くの謎が残されている。 本研究では、ナノアーキアAlaRS-αによるtRNA認識およびAla活性化の分子機構や、ナノアーキアAlaRS-αとAlaRS-βによるG3:U70塩基対認識の分子機構の解明し、遺伝暗号の起源と進化に迫る。
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| Outline of Annual Research Achievements |
アラニルtRNA合成酵素(AlaRS)はtRNA(Ala)中のG3:U70塩基対を特異的に認識して、tRNA(Ala)にAlaを結合させていることが長く知られてきたが、最小のゲノムサイズを有する古細菌Nanoarchaeum equitans (ナノアーキア)のAlaRSは、α鎖のみではG3:U70塩基対に依存しないアミノアシル化活性があり、β鎖が加わると初めてG3:U70塩基対に依存した活性を生み出すことが分かっている。このメカニズムは未解明だが、当該年度は、前年度から引き続き、β鎖において、G3:U70塩基対認識に関係する可能性のある残基の変異体を作製し、研究を行った。ナノアーキアのAlaRS-βでは保存されていない（イソロイシンになっている（I50））が、超好熱硫酸還元古細菌Archaeoglobus fulgidusにおける立体構造でG3認識に関係していると考え、また多くの生物種のAlaRSでも保存されているアスパラギン酸残基に注目し、I50をアラニンに換えた変異体（I50A）の他に、I50近傍に存在するアスパラギン酸・グルタミン酸クラスター（DEE）をグリシンに変換した変異体を作製して、RNAミニヘリックス（tRNAの原始形とされるRNA）のアミノアシル化解析を行った。しかしながら、これらの変異体は、いずれも天然型と同様の活性を示したので、未知の認識機構が存在していることが考えられる。また、これらに関連して、シュレディンガー方程式に基づいた量子力学計算とニュートンの古典力学に基づいた分子力学・分子動力学計算を組み合わせたシミュレーション法によって、遷移状態を含む「L-アミノ酸選択的なRNAのアミノアシル化反応」の全体のメカニズムを初めて明らかにし、実験においては不明であったL-アミノ酸が選択的に反応しやすい理由を計算機シミュレーションで解明した。加えて、原始tRNAの進化生成メカニズムにも関係したリガーゼリボザイムの反応機構について、学術論文発表や学会発表を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究推進の基盤となる実験系や材料の構築は順調に進んでいる。コロナ禍の中、試薬や器具の準備に時間がかかったり、反応を生み出すアミノ酸残基の特定までには至っていないものの、総合的な観点からは、大きな遅れにはなっていないと考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度に引き続いて、G3認識に寄与するAlaRS-β上の残基を特定するための変異体の作製を推進する。この際に、点変異に留まらずに、Archaeoglobus fulgidus AlaRSの立体構造をもとにした領域単位の変異や複数の点変異の組み合わせを試みたい。一方で、G3:U70塩基対に依存しないアミノアシル化活性を生み出すAlaRS-αに関する構造生物学的な取り組みにも着手していきたい。
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Report
(2 results)
Research Products
(13 results)
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[Journal Article] Amino acid activation analysis of primitive aminoacyl-tRNA synthetases encoded by both strands of a single gene using the malachite green assay2021
Author(s)
Kazaha Onodera, Nana Suganuma, Haruka Takano, Yu Sugita, Tomoko Shoji, Ayaka Minobe, Narumi Yamaki, Riku Otsuka, Hiromi Mutsuro-Aoki, Takuya Umehara, Koji Tamura
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Journal Title
BIOSYSTEMS
Volume: 208
Pages: 104481-104481
DOI
Related Report
Peer Reviewed
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[Journal Article] Crystal structure of Nanoarchaeum equitans tyrosyl-tRNA synthetase and its aminoacylation activity toward tRNATyr with an extra guanosine residue at the 5'-terminus2021
Author(s)
Tatsuya Horikoshi, Hiroki Noguchi, Takuya Umehara, Hiromi Mutsuro-Aoki, Ryodai Kurihara, Ryohei Noguchi, Takahiro Hashimoto, Yuki Watanabe, Tadashi Ando, Kenichi Kamata, Sam-Yong Park, Koji Tamura
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Journal Title
BIOCHEMICAL AND BIOPHYSICAL RESEARCH COMMUNICATIONS
Volume: 575
Pages: 90-95
DOI
Related Report
Peer Reviewed
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