RNAエピジェネティックスと高次生命現象

2017 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26220205
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 鈴木 勉 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (20292782)
• Project Period (FY): 2014-05-30 – 2019-03-31
• Keywords: tRNA修飾 / f5C修飾 / 遺伝暗号の解読 / ht6A修飾

Outline of Annual Research Achievements

本研究ではRNA修飾が関与する生命現象を明らかにするとともに、RNA修飾病の発症機構を解明することを目的とする。
ヒトのミトコンドリアは変則的な遺伝暗号を用いており、通常はIleをコードするAUAコドンがMetに暗号変化している。ミトコンドリアtRNAMetのアンチコドンには5-ホルミルシチジン(f5C)が存在し、この修飾によって、tRNAMetがAUGコドンのみならずAUAコドンもMetに解読することが可能になる。昨年度私たちは、代謝ラベルを用いた実験により、ホルミル基がメチル化とそれに続く酸化反応で形成されることを明らかにし、その最初の反応を担うメチル化酵素NSUN3を同定した（Nakano et al., Nature Chem Biol, 2016）。今年度は、水酸化と酸化反応を担う酵素ALKBH1を同定した。ALKBH1のノックアウト細胞の解析から、f5Cはミトコンドリアの機能に必須であることが示された（Kawarada et al., 2017）
動物のミトコンドリアの翻訳系においては，しばしば普遍暗号から逸脱した変則暗号が用いられる。ウニやヒトデなど棘皮動物のミトコンドリアにおいては，通常はLysを指定するAAAコドンがAsnを指定するよう暗号変化している。私たちはキタムラサキウニのミトコンドリアからtRNALysを単離精製しRNA-MSにより解析したところ，アンチコドンの3’側の隣接部位に新規の修飾塩基であるヒドロキシ-N6-スレオニルカルバモイルアデノシン(ht6A)を見い出した。リボソームのAサイトにおけるtRNAのコドン認識能を評価したところ，この修飾塩基はAAAコドンへの結合能を抑制する役割のあることが判明した。以上の結果から，棘皮動物のミトコンドリアにおいてtRNALysが新たな修飾塩基を獲得することによりAAAコドンの暗号変化に寄与したと考えられた。

Current Status of Research Progress

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

Reason

RNA修飾の解析と生合成機構の研究に関しては、予想以上の成果が得られたと自己評価している。
ミトコンドリアtRNAMetのf5C修飾の生合成機構が明らかになった成果(Nakano et al., 2016, Kawarada et al., 2017)は学術的価値が高い。代謝ラベルを用いた実験により、ホルミル基がメチル化と酸化反応で形成されることが明らかとなり、NSUN3およびALKBH1の発見につなげられたことは、本プロジェクトの特筆すべき成果であると言える。特にf5C修飾を欠損させると、ミトコンドリアの翻訳異常と機能低下が生じたという知見は、f5C修飾の生理学的な意義を初めて明らかにした成果である。私たちの論文がpublishされた後、半年の間に複数のグループから立て続けに関連論文がpublishされたこともこの分野の関心の高さと波及効果を実感している。
また、動物のミトコンドリアの変則暗号の獲得に、新規のtRNA修飾であるht6Aが関わっているという発見（Nagao et al., 2017）は学術的価値が高い。特に短期間の間に化学構造の同定と機能解析を成し遂げられたのは、これまでに培ってきた当研究室の解析技術と経験によるものが大きい。

Strategy for Future Research Activity

これまでに得られた成果をさらに発展させるとともに、新規RNA修飾構造の同定やRNA修飾酵素の探索に集中してプロジェクトを推進する。特に、外部環境の変化や細胞内メタボライトの濃度により、変動するRNA修飾についての解析に取り組む予定である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] IMB-Mainz(ドイツ)
  • Country Name: GERMANY
  • Counterpart Institution: IMB-Mainz
• [Int'l Joint Research] Univ of Texas Health Science Center(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: Univ of Texas Health Science Center
• [Int'l Joint Research] 浙江大学(中国)
  • Country Name: CHINA
  • Counterpart Institution: 浙江大学
• [Int'l Joint Research] University of Tartu(エストニア)
  • Country Name: ESTONIA
  • Counterpart Institution: University of Tartu
• [Int'l Joint Research] UC Santa Cruz(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: UC Santa Cruz
• [Journal Article] Defective mitochondrial tRNA taurine-modification activates global proteostress and leads to mitochondrial disease (2018)
  • Author(s): Fakruddin, M., Wei, F., Kaieda, T., Suzuki, T., Asano, K., Omori, A., Fujimura, A., Kaitsuka, T., Miyata, K., Araki, K., Oike, Y., Scorrano, L., Suzuki, T. and Tomizawa, K.
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 22 Pages: 482-496
  • DOI: doi.org/10.1016/j.celrep.2017.12.051
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Metabolic and chemical regulation of tRNA modification associated with taurine deficiency and human disease (2018)
  • Author(s): Asano, K.+, *Suzuki, T.+, Saito, A., Wei, F., Ikeuchi, Y., Numata, T., Tanaka, R., Yamane, Y., Yamamoto, T., Goto, T., Kishita, Y., Murayama, K., Ohtake, A., Okazaki, Y., Tomizawa, K., Sakaguchi, Y. and *Suzuki, T.
  • Journal Title: Nucleic Acids Res. Volume: 46 Pages: 1565-1583
  • DOI: doi.org/10.1093/nar/gky068
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The ribosomal A-site finger is crucial for binding and activation of the stringent factor RelA (2018)
  • Author(s): Kudrin, P., Dzhygyr, I., Ishiguro, K., Beljantseva, J., Maksimova, E., Sofia Raquel Alves Oliveira, Varik, V., Payoe, R., Konevega, A., Tenson, T., Suzuki, T. and Hauryliuk, V.
  • Journal Title: Nucleic Acids Res. Volume: 46 Pages: 1973–1983
  • DOI: doi.org/10.1093/nar/gky023
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Accurate estimation of 5-methylcytosine in mammalian mitochondrial DNA (2018)
  • Author(s): Matsuda, S., *Yasukawa, T., Sakaguchi, Y., Ichiyanagi, K., Unoki, M., Gotoh, K., Fukuda, K., Sasaki, H., Suzuki, T. and Kang, D.
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 8 Pages: 5801
  • DOI: doi.org/10.1038/s41598-018-24251-z
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] CO2-sensitive tRNA modification associated with human mitochondrial disease (2018)
  • Author(s): Lin, H., Kenjyo, M., Harada, T., Okita, R., Takeshita, E., Komaki, H., Yagasaki, H., Fujioka, K., Goto, Y., Yanaka, K., Nakagawa, S., Sakaguchi, Y. and *Suzuki, T.
  • Journal Title: Nature Commun. Volume: in press Pages: in press
  • DOI: doi: 10.1038/s41467-018-04250-4
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] RNA editing enzyme ADAR2 is a mediator of neuropathic pain after peripheral nerve injury (2017)
  • Author(s): Uchida, H., Matsumura, S., Okada, S., Suzuki, T., Minami, T. and Ito, S.
  • Journal Title: The FASEB Journal Volume: 31 Pages: 1847～1855
  • DOI: doi.org/10.1096/fj.201600950R
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Human BCDIN3D monomethylates cytoplasmic histidine transfer RNA (2017)
  • Author(s): Martinez, A., Yamashita, S., Nagaike, T., Sakaguchi, Y., Suzuki, T. and Tomita, K.
  • Journal Title: Nucleic Acids Research Volume: 45 Pages: 5423-5436
  • DOI: doi.org/10.1093/nar/gkx051
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] ALKBH1 is an RNA dioxygenase responsible for cytoplasmic and mitochondrial tRNA modifications (2017)
  • Author(s): Kawarada, L., Suzuki, T., Ohira, T., Hirata, S., Miyauchi, K. and *Suzuki, T.
  • Journal Title: Nucleic Acids Research Volume: 45 Pages: 7401～7415
  • DOI: doi.org/10.1093/nar/gkx354
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Biochemical and structural characterization of oxygen-sensitive 2-thiouridine synthesis catalyzed by an iron-sulfur protein TtuA (2017)
  • Author(s): Chen, M., Asai, S., Narai, S., Nambu, S., Omura, N., Sakaguchi, Y., Suzuki, T. Ikeda-Saito, M., Watanabe, K., Yao, M., Shigi, N. and Tanaka, Y.
  • Journal Title: Proceedings of the National Academy of Sciences Volume: 114 Pages: 4954～4959
  • DOI: doi.org/10.1073/pnas.1615585114
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Hydroxylation of a conserved tRNA modification establishes non-universal genetic code in echinoderm mitochondria (2017)
  • Author(s): Nagao, A., Ohara, M., Miyauchi, K., Yokobori, S., Yamagishi, A., Watanabe, K. and *Suzuki, T.
  • Journal Title: Nature Structural & Molecular Biology Volume: 24 Pages: 778～782
  • DOI: doi.org/10.1038/nsmb.3449
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Intrinsic Ribosome Destabilization Underlies Translation and Provides an Organism with a Strategy of Environmental Sensing (2017)
  • Author(s): Chadani, Y., Niwa, T., Izumi, T., Sugita, N., Nagao, A., Suzuki, T., Chiba, S., Ito, K. and Taguchi, H.
  • Journal Title: Molecular Cell Volume: 68 Pages: 528～539.e5
  • DOI: doi.org/10.1016/j.molcel.2017.10.020
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Biogenesis and iron-dependency of ribosomal RNA hydroxylation (2017)
  • Author(s): Kimura, S., Sakai, Y., Ishiguro, K. and Suzuki, T.
  • Journal Title: Nucleic Acids Res. Volume: 45 Pages: 12974-12986
  • DOI: doi.org/10.1093/nar/gkx969
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] S-Adenosylmethionine Synthesis Is Regulated by Selective N6-Adenosine Methylation and mRNA Degradation Involving METTL16 and YTHDC1 (2017)
  • Author(s): Shima, H., Matsumoto, M., Ishigami, Y., Ebina, M., Muto, A., Sato, Y., Kumagai, S., Ochiai, K., Suzuki, T. and Igarashi, K.
  • Journal Title: Cell Reports Volume: 21 Pages: 3354-3363
  • DOI: doi.org/10.1016/j.celrep.2017.11.092
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Molecular pathogenesis of mitochondrial disease caused by tRNA modification deficiency (2017)
  • Author(s): Tsutomu Suzuki
  • Organizer: FASEB science research conferences-Mitochondrial Biogenesis and Dynamics in Health, Disease and Aging
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Molecular pathogenesis of human disease caused by tRNA modification deficiency (2017)
  • Author(s): Tsutomu Suzuki
  • Organizer: The 43rd Naito Conference- Noncoding RNA：Biology, Chemistry, & Diseases
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] RNA修飾によるエピトランスクリプトーム制御と疾患 (2017)
  • Author(s): 鈴木 勉
  • Organizer: 千里ライフサイエンスセミナー: 生命を司り、操る～ノンコーディングRNAの底知れぬ力
  • Invited
• [Presentation] Metabolic regulation of tRNA modification associated with human disease (2017)
  • Author(s): Tsutomu Suzuki
  • Organizer: IMB symposium on Nucleic Acid Modification
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 細胞内メタボライトを感知するRNA修飾と疾患 (2017)
  • Author(s): 鈴木 勉
  • Organizer: IIBMP2017シンポジウム「ポストゲノム時代のRNAバイオロジー」
  • Invited
• [Presentation] Metabolic regulation of RNA modification associated with human disease (2017)
  • Author(s): Tsutomu Suzuki
  • Organizer: Cold Spring Harbor Asia "RNA modification and epitranscriptome"
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Metabolic regulation of RNA modification associated with human disease (2017)
  • Author(s): Tsutomu Suzuki
  • Organizer: ConBio2017
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] RNAの化学修飾が遺伝暗号を変える
  • URL: https://www.u-tokyo.ac.jp/ja/utokyo-research/research-news/chemical-modification-in-RNA-changes-genetic-code.html
• [Remarks] 変則暗号の成立に寄与する新規のtRNA修飾の発見
  • URL: http://first.lifesciencedb.jp/archives/16978
• [Remarks] 2018 Breakthrough Articles from NAR
  • URL: www.narbreakthrough.com/category/2018-breakthrough-articles/