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2021 年度 実施状況報告書

翻訳開始因子eIF4A1とグルタミン代謝による協調的な発現制御機構

研究課題

研究課題/領域番号 21K15023
研究機関国立研究開発法人理化学研究所

研究代表者

七野 悠一  国立研究開発法人理化学研究所, 開拓研究本部, 基礎科学特別研究員 (40748365)

研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2023-03-31
キーワード翻訳 / 代謝 / 翻訳開始 / グルタミン / 次世代シーケンサー
研究実績の概要

細胞は外界の変化に応じ、翻訳と代謝をダイナミックに制御する。両者の協調的な制御は環境変化に適応するために必須であると考えられているが、その機構には不明な点が多い。これまでに、翻訳開始因子eIF4A1のノックアウト細胞をグルタミンが不安定な条件で培養すると、その増殖が顕著に低下する、という現象を見出していた。この現象の原因遺伝子を網羅的解析データから探索し、eIF4A1ノックアウトとグルタミン飢餓の両方の条件で翻訳が低下している遺伝子ODC1を特定した。本研究ではeIF4A1とグルタミンによる相乗的なODC1翻訳制御の詳細な分子機構と細胞増殖における意義を解明することを通じて、翻訳と代謝のクロストークをより深く理解することを目指す。
初年度である本年度は、まずODC1遺伝子が実際にグルタミン依存的な増殖の原因であるかどうか検討した。野生型の細胞を候補遺伝子の特異的阻害剤DFMOで処理したところ、グルタミンが不安定な条件における生育が低下し、候補遺伝子がグルタミン依存性の原因であることが示された。そこで原因遺伝子の翻訳制御をより詳細に解析するため、そのmRNAの5’側非翻訳領域(5’ UTR)を結合させたレポーター遺伝子を作成し、5’ UTRに様々に変異を導入することで翻訳制御に重要な配列モチーフを探索した。この遺伝子の5’ UTRには強固な二次構造とupstream open reading frame(uORF)が予想されていたが、その両方が翻訳に対して抑制的に働いていることがわかった。今後はこのmRNAと結合する因子を探索することで、この相乗的な翻訳制御の分子機構の全貌解明を目指す。

現在までの達成度 (区分)
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

本研究では翻訳開始因子eIF4A1と細胞外グルタミンによる翻訳と代謝のクロストークの分子機構と細胞増殖における意義を解明することを目的としている。eIF4A1のノックアウト(KO)細胞の生育は培地中のグルタミンが不安定な条件において顕著に低下するが、この現象の原因遺伝子としてポリアミン合成の律速段階を担う酵素の遺伝子ODC1が候補として同定されていた。初年度である今年度は、ODC1がeIF4A1 KO細胞の生育におけるグルタミン依存性の原因であるかどうか検討した。野生型細胞にODC1の特異的阻害剤であるDFMOを添加したところ、安定なグルタミン存在下では生育が低下しないのに対し、不安定なグルタミン存在下では生育が低下する様子が見られた。よって、ODC1の活性が低下するとグルタミン依存性が現れることが確認された。続いて、ODC1の翻訳がどのように制御されているのか解析した。ODC1の5’ UTR(非翻訳領域)には二次構造とuORF(upstream open reading frame)が予想されていた。これらに様々に変異を導入してレポーターアッセイを行ったところ、二次構造とuORFの両方がODC1の翻訳に対して抑制的に働くことが明らかとなった。また、eIF4A1 KO細胞では二次構造もuORFを欠損してもほとんど翻訳は上昇せず、これらの配列による翻訳抑制はeIF4A1依存的であることがわかった。

今後の研究の推進方策

今後はODC1の翻訳制御の分子機構をより詳細に解析するため、ODC1 mRNAに結合する因子の同定を行う。相補的なガイドRNAにより目的のRNAに特異的に結合しRNA分解を行うCas13タンパク質に点変異を導入し、RNA結合能のみを残したdCas13を用いて内在性のODC1 mRNAを精製し、質量分析により結合タンパク質を網羅的に同定する。そして同定された因子についてノックダウンを行い、ODC1の翻訳の変動を解析する。Cas13は様々な種類があり、現在適切なCas13を選択するための条件検討と組換えタンパク質の精製を進めている。また、ODC1の低下によるポリアミンの減少が増殖低下の原因であるならば、ポリアミンを増加させることで回復されることができると考えられる。培地中へのポリアミン添加やポリアミン合成に関わる因子の過剰発現などを通じて、不安定なグルタミン存在下における細胞増殖を検討する。また、研究室所有の様々ながん細胞を用い、DFMOによるODC1阻害の程度と不安定なグルタミン存在下の細胞増殖の関係について調べることで、この現象ががん治療につながる可能性について検討する。

  • 研究成果

    (10件)

すべて 2022 2021 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 1件、 査読あり 3件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 2件) 備考 (2件)

  • [国際共同研究] Justus-Liebig University(ドイツ)

    • 国名
      ドイツ
    • 外国機関名
      Justus-Liebig University
  • [雑誌論文] Selective translation of epigenetic modifiers affects the temporal pattern and differentiation of neural stem cells2022

    • 著者名/発表者名
      Wu Quan、Shichino Yuichi、Abe Takaya、Suetsugu Taeko、Omori Ayaka、Kiyonari Hiroshi、Iwasaki Shintaro、Matsuzaki Fumio
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 13 ページ: 470

    • DOI

      10.1038/s41467-022-28097-y

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] eIF2B-capturing viral protein NSs suppresses the integrated stress response2021

    • 著者名/発表者名
      Kashiwagi Kazuhiro、Shichino Yuichi、Osaki Tatsuya、Sakamoto Ayako、Nishimoto Madoka、Takahashi Mari、Mito Mari、Weber Friedemann、Ikeuchi Yoshiho、Iwasaki Shintaro、Ito Takuhiro
    • 雑誌名

      Nature Communications

      巻: 12 ページ: 7102

    • DOI

      10.1038/s41467-021-27337-x

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Combinatorial analysis of translation dynamics reveals eIF2 dependence of translation initiation at near-cognate codons2021

    • 著者名/発表者名
      Ichihara Kazuya、Matsumoto Akinobu、Nishida Hiroshi、Kito Yuki、Shimizu Hideyuki、Shichino Yuichi、Iwasaki Shintaro、Imami Koshi、Ishihama Yasushi、Nakayama Keiichi I
    • 雑誌名

      Nucleic Acids Research

      巻: 49 ページ: 7298~7317

    • DOI

      10.1093/nar/gkab549

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] eIF4A1 facilitates LARP1-mediated translation repression during mTORC1 inhibition2022

    • 著者名/発表者名
      Yuichi Shichino, Mari Mito, Kazuhiro Kashiwagi, Mari Takahashi, Takuhiro Ito, Nicholas T. Ingolia, Shintaro Iwasaki
    • 学会等名
      RNAフロンティアミーティング2021
  • [学会発表] 翻訳開始因子eIF4A1とグルタミン代謝による協調的な発現制御機構2021

    • 著者名/発表者名
      七野 悠一、岩崎信太郎
    • 学会等名
      第44回日本分子生物学会年会
  • [学会発表] A specific eIF4A paralog facilitates LARP1-mediated translation repression during mTORC1 inhibition2021

    • 著者名/発表者名
      Yuichi Shichino, Mari Mito, Nicholas T. Ingolia, Shintaro Iwasaki
    • 学会等名
      EMBL Conference: Protein Synthesis and Translational Control
    • 国際学会
  • [学会発表] A specific eIF4A paralog facilitates LARP1-mediated translation repression during mTORC1 inhibition2021

    • 著者名/発表者名
      Yuichi Shichino, Mari Mito, Nicholas T. Ingolia, Shintaro Iwasaki
    • 学会等名
      RNA 2021
    • 国際学会
  • [備考] ウイルスによる細胞のストレス応答抑制機構の解明

    • URL

      https://www.riken.jp/press/2021/20211207_2/index.html

  • [備考] 非典型的開始コドンからの翻訳開始機構を解明

    • URL

      https://www.kyushu-u.ac.jp/ja/researches/view/627/

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公開日: 2022-12-28  

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