合成途上産物に秘められた拡張型遺伝情報の解読と遺伝子像の再構成

• Project/Area Number: 23K27103
• Project/Area Number (Other): 23H02410 (2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 43010:Molecular biology-related
• Research Institution: Okayama University
• Principal Investigator: 茶谷 悠平 岡山大学, 環境生命自然科学学域, 准教授 (30794383)
• Project Period (FY): 2023-04-01 – 2027-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥16,120,000 (Direct Cost: ¥12,400,000、Indirect Cost: ¥3,720,000); Fiscal Year 2026: ¥3,380,000 (Direct Cost: ¥2,600,000、Indirect Cost: ¥780,000); Fiscal Year 2025: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2024: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2023: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000)
• Keywords: リボソーム / タンパク質合成 / 新生ポリペプチド鎖 / 翻訳制御 / 翻訳 / 翻訳伸長因子 / 遺伝子発現

Outline of Research at the Start

合成途上にある新生タンパク質(新生ポリペプチド鎖 : 新生鎖)には、核酸配列だけでは実現できない遺伝子発現制御情報がコードされていることが明らかになってきた。これは新生鎖とリボソームトンネルとの相互作用により、リボソームの翻訳機能、複合体構造形成能が大きく変動することに由来する。こうした様々な翻訳制御を実現させている新生鎖 - トンネル間相互作用に着目した解析を行っていくことで、アミノ酸配列に秘匿されていた新たな拡張型遺伝暗号の解読を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

新生ポリペプチド鎖(新生鎖)によるリボソーム機能制御の全容を解明すべく、1. 負電荷アミノ酸によるリボソーム不安定化現象の分子機構解明、2. 新生鎖によって翻訳異常を引き起こしたリボソームに作用する翻訳因子の解析、を実施した。項目1については無細胞翻訳系を用いた解析から、リボソーム不安定化は二段階の反応として進行することを明らかとした。まずリボソーム複合体の構造変化が起こり、この異常な状態のリボソームにribosome recycling factor (RRF)などが作用し、複合体の解離を引き起こすことで、翻訳が途上終結することが明らかとなった。
第二に、生物に広く保存された翻訳伸長因子ABCFタンパク質について検討を行った。過去の解析から、ABCFタンパク質は抗生物質によって停滞したリボソームの解放に寄与すると考えられていた。しかし大腸菌に保持される4種のABCFタンパク質は、新生鎖によって引き起こされるさまざまな翻訳異常を抑制することが我々の解析から明らかとなった。4種のABCFはそれぞれEttA: 翻訳開始直後のリボソーム不安定化、YbiT: 負電荷アミノ酸依存のリボソーム不安定化および正電荷アミノ酸依存の翻訳停滞、Uup: プロリン連続配列による翻訳停滞、YheS: 翻訳停止配列SecMにそれぞれ特異的に作用することを見出した。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

新生鎖による翻訳制御の一種であるIRD現象について、その作動に係る様々なパラメーターの同定に成功した。今後これらの情報を活用することで、リボソーム複合体不安定化の現場が活写可能になったものと考えている。
また新生鎖による様々な翻訳制御に干渉できる新規翻訳因子ABCFタンパク質の機能同定に成功し、翻訳制御の全体像を把握するうえで重要な糸口を掴む事ができた。

Strategy for Future Research Activity

新生鎖による翻訳制御をより詳細に理解するため、クライオ電子顕微鏡構造観察による分子メカニズムの解明を進めていく。その第一弾として、大腸菌で新規に同定された翻訳停止配列の構造解析を進め、過去に同定済みの翻訳停止配列との違い、共通項をあぶり出す。以上の解析から、翻訳プロセスの各ステップで新生鎖がどのような影響、機能を持つか、体系的な理解を目指して解析を進める。

Research Products

• [Journal Article] The ABCF proteins in <i>Escherichia coli</i> individually cope with ‘hard-to-translate’ nascent peptide sequences (2024)
  • Author(s): Chadani Yuhei、Yamanouchi Shun、Uemura Eri、Yamasaki Kohei、Niwa Tatsuya、Ikeda Toma、Kurihara Miku、Iwasaki Wataru、Taguchi Hideki
  • Journal Title: Nucleic Acids Research Volume: － Issue: 10 Pages: 5825-5840
  • DOI: 10.1093/nar/gkae309
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Mechanistic dissection of premature translation termination induced by acidic residues-enriched nascent peptide (2023)
  • Author(s): Chadani Yuhei、Kanamori Takashi、Niwa Tatsuya、Ichihara Kazuya、Nakayama Keiichi I.、Matsumoto Akinobu、Taguchi Hideki
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 42 Issue: 12 Pages: 113569-113569
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2023.113569
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] タンパク質の安定的発現を保証する「タンパク質」の解析 (2023)
  • Author(s): 茶谷 悠平
  • Organizer: 第95回 日本遺伝学会大会
• [Presentation] 蛋白質の合成過程に潜む途上終結リスクは 生物のプロテオームに配列的制約をもたらす (2023)
  • Author(s): 茶谷 悠平
  • Organizer: 第23回 日本蛋白質科学会年会
  • Invited
• [Remarks] 細胞内で発現しにくいタンパク質の合成を促進する翻訳因子を発見！
  • URL: https://www.okayama-u.ac.jp/tp/release/release_id1226.html
• [Remarks] リボソームがタンパク質の合成を中断する仕組みを解明！
  • URL: https://www.okayama-u.ac.jp/tp/release/release_id1180.html