新規Disome-Seq法: パラメトリックなリボソーム渋滞の網羅的探索

• 研究領域: 翻訳速度調節機構を基盤としたパラメトリック生物学の創成
• 研究課題/領域番号: 20H05784
• 研究種目: 学術変革領域研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 学術変革領域研究区分(Ⅲ)
• 研究機関: 国立研究開発法人理化学研究所
• 研究代表者: 岩崎 信太郎 国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 主任研究員 (80611441)
• 研究期間 (年度): 2020-10-02 – 2023-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2022年度)
• 配分額: 38,220千円 (直接経費: 29,400千円、間接経費: 8,820千円); 2022年度: 11,310千円 (直接経費: 8,700千円、間接経費: 2,610千円); 2021年度: 12,350千円 (直接経費: 9,500千円、間接経費: 2,850千円); 2020年度: 14,560千円 (直接経費: 11,200千円、間接経費: 3,360千円)
• キーワード: 翻訳 / Ribosome / Ribosome profiling / Disome / Disome-Seq

研究開始時の研究の概要

リボソームがコドンを読み取る速度は一定ではなく、むしろパラメトリックに進行し、一時停止および渋滞をする例があることが報告されている。しかしながらその全容や速度制限にかかわる共通の原理・ルールは全く明らかにされていない。これはリボソーム一時停止を網羅的に、かつ高感度に探索する技術がこれまで皆無であったことによる。本研究ではこの問題を解決する『Disome-Seq法』と呼ばれる新規技術を確立し、リボソーム一時停止を探索するとともに、班員が得意とする物理化学的な影響 (原田・岡部)あるいは高次生命現象 (土居、池内)でどのように制御されるかを理解することを目指す。

研究実績の概要

分子生物学のセントラルドグマは遺伝情報である核酸の情報をアミノ酸という性質の異なる分子配列へ変換する仕組みであるが、その変換速度の鍵を握るのがリボソームが行う翻訳である。リボソームによるコドンの読み取り速度は一般に一定であると考えられがちである。しかし、実は多様な原因によって一時停止するという非常にパラメトリックな動態を示す。これまでにribosomeの停止位置を網羅的・定量的・高感度に検出する手法としてDisome-Seq法を開発してきた。この技術は、渋滞したリボソームがDisome (di-ribosome)を形成することを利用し、リボソーム2つ分の長さのRNaseフットプリントを回収し、次世代シーケンサーによって読み取る手法である (Han et al. Cell Rep 2020)。この手法の確立により、リボソーム一時停止が生じやすいコドンやアミノ酸配列のcontextが明らかになった。それぞれリボソームの伸長反応、終結反応、リサイクリング反応が遅れるような状況でリボソーム渋滞が生じる。また、ゼブラフィッシュとヒト細胞の比較により、進化的保存性も明らかになった。
また、Ribosome一つ分のフットプリントを扱うstandard Ribo-Seq法と合わせ、これまで翻訳を網羅的に解析し、そのパラメトリック制御を明らかにしてきた。例えば、翻訳阻害剤rocaglamide A (Chen et al. Cell Chem Biol 2021)やスプライシング調節剤 (Yoshimoto et al. Cell Chem Biol 2021)による翻訳制御機構を明らかにした。また、その手法の詳細をprotocol論文として発表し (Mito et al. STAR Protoc 2020)、領域内の共同研究の促進のための礎とした。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

細胞の中ではリボソーム一時停止は積極的解消されると考えられている。これまでに、リボソーム一時停止を解消することが示唆されている因子ABCE1、 ASCC3、 ZNF598、eIF5A、PELO、GCN2等があげられるがその特異性についてはよくわかっていない。そこでsiRNAなどによりそれぞれの因子ノックダウンし、Disome-Seqを行うことで、それぞれの因子によって解消されているリボソーム一時停止の違いに関して検証した。その結果、各因子をノックダウンしたときに生じるdisome位置はそれぞれ大きく異なり、それぞれの因子が対象とするリボソーム一時停止には明確な違いがあることがわかってきた。例えば、ABCE1によって解消されるリボソーム一時停止はNMD標的mRNAのstopコドン上のものであることが明らかになってきた。現在さらに詳細に解析を進め、その特異性の理解を目指している。

今後の研究の推進方策

上記のように、因子間で解消の対象としているリボソーム一時停止が異なることが明らかになってきた。その一方で、それぞれが同一の経路で機能しうるのか、相補性はあるのか、といったことが疑問になってくる。たとえば一方の因子がなくなった場合に生じるリボソーム一時停止は、もう一方の因子で解消されうるのか、といったことである。この点を理解するために、上記の因子２つを同時にノックダウンしDisome-Seqを行う予定である。

研究成果

• [国際共同研究] University of California, Berkeley/University of California, San Francisco(米国)
• [雑誌論文] The Pentatricopeptide Repeat Protein PGR3 Is Required for the Translation of petL and ndhG by Binding Their 5′ UTRs (2021)
  • 著者名/発表者名: Higashi Haruka、Kato Yoshinobu、Fujita Tomoya、Iwasaki Shintaro、Nakamura Masayuki、Nishimura Yoshiki、Takenaka Mizuki、Shikanai Toshiharu
  • 雑誌名: Plant and Cell Physiology 巻: - 号: 7 ページ: 1-10
  • DOI: 10.1093/pcp/pcaa180
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spliceostatin A interaction with SF3B1 limits U1 snRNP availability and causes premature cleavage and polyadenylation. (2021)
  • 著者名/発表者名: Yoshimoto, R., Chhipi-Shrestha, J.K., Schneider-Poetsch, T., Furuno, M., Burroughs, A.M., Noma, S., Suzuki, H., Hayashizaki, Y., Mayeda, A., Nakagawa, S., Kaida, D., Iwasaki, S., Yoshida, M.
  • 雑誌名: Cell Chem. Biol. 巻: - 号: 9 ページ: 1356-1365
  • DOI: 10.1016/j.chembiol.2021.03.002
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Dual targeting of DDX3 and eIF4A by the translation inhibitor rocaglamide A (2021)
  • 著者名/発表者名: Chen Mingming、Asanuma Miwako、Takahashi Mari、Shichino Yuichi、Mito Mari、Fujiwara Koichi、Saito Hironori、Floor Stephen N.、Ingolia Nicholas T.、Sodeoka Mikiko、Dodo Kosuke、Ito Takuhiro、Iwasaki Shintaro
  • 雑誌名: Cell Chemical Biology 巻: 28 号: 4 ページ: 475-486
  • DOI: 10.1016/j.chembiol.2020.11.008
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Genome-wide survey of ribosome collision. (2020)
  • 著者名/発表者名: Han, P., Shichino, Y., Schneider-Poetsch, T., Mito, M., Hashimoto, S., Udagawa, T., Kohno, K., Yoshida, M., Mishima, Y., Inada, T., Iwasaki, S.
  • 雑誌名: Cell Rep. 巻: 31(5) 号: 5 ページ: 107610-107610
  • DOI: 10.1016/j.celrep.2020.107610
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] N-terminal deletion of Swi3 created by the deletion of a dubious ORF YJL175W mitigates protein burden effect in S. cerevisiae (2020)
  • 著者名/発表者名: Saeki Nozomu、Eguchi Yuichi、Kintaka Reiko、Makanae Koji、Shichino Yuichi、Iwasaki Shintaro、Kanno Manabu、Kimura Nobutada、Moriya Hisao
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 10 号: 1 ページ: 9500-9500
  • DOI: 10.1038/s41598-020-66307-z
  • NAID: 120006883501
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Implications of RNG140 (caprin2)-mediated translational regulation in eye lens differentiation (2020)
  • 著者名/発表者名: Kaori Nakazawa, Yuichi Shichino,Shintaro Iwasaki, and Nobuyuki Shiina
  • 雑誌名: Journal of Biological Chemistry 巻: 295 号: 44 ページ: 15029-15044
  • DOI: 10.1074/jbc.ra120.012715
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Complete chemical structures of human mitochondrial tRNAs (2020)
  • 著者名/発表者名: Suzuki Takeo、Yashiro Yuka、Kikuchi Ittoku、Ishigami Yuma、Saito Hironori、Matsuzawa Ikuya、Okada Shunpei、Mito Mari、Iwasaki Shintaro、Ma Ding、Zhao Xuewei、Asano Kana、Lin Huan、Kirino Yohei、Sakaguchi Yuriko、Suzuki Tsutomu
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 11 号: 1 ページ: 1-15
  • DOI: 10.1038/s41467-020-18068-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Ribosomal protein S7 ubiquitination during ER stress in yeast is associated with selective mRNA translation and stress outcome (2020)
  • 著者名/発表者名: Matsuki Yasuko、Matsuo Yoshitaka、Nakano Yu、Iwasaki Shintaro、Yoko Hideyuki、Udagawa Tsuyoshi、Li Sihan、Saeki Yasushi、Yoshihisa Tohru、Tanaka Keiji、Ingolia Nicholas T.、Inada Toshifumi
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 10 号: 1 ページ: 19669-19669
  • DOI: 10.1038/s41598-020-76239-3
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Protocol for disome profiling to survey ribosome collision in humans and zebrafish. (2020)
  • 著者名/発表者名: Mito M, Mishima Y, and Iwasaki S
  • 雑誌名: STAR Protoc. 巻: 1 号: 3 ページ: 100168-100168
  • DOI: 10.1016/j.xpro.2020.100168
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 抗がん作用をもつ小分子Rocaglamide AによるDDX3とeIF4Aを介した二重翻訳阻害 (2020)
  • 著者名/発表者名: 岩崎信太郎
  • 学会等名: 第93回日本生化学大会
  • 招待講演
• [備考]
  • URL: http://iwasakirna.com/publications.php
• [備考]
  • URL: https://www.riken.jp/research/labs/chief/rna_sys_biochem/index.html