RNAエピジェネティックスと高次生命現象

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 26220205
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 鈴木 勉 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (20292782)
• 研究期間 (年度): 2014-05-30 – 2019-03-31
• キーワード: tRNA修飾 / f5C修飾 / 遺伝暗号の解読 / ht6A修飾

研究実績の概要

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。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

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。

今後の研究の推進方策

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。

研究成果

• [国際共同研究] IMB-Mainz(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: IMB-Mainz
• [国際共同研究] Univ of Texas Health Science Center(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: Univ of Texas Health Science Center
• [国際共同研究] 浙江大学(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: 浙江大学
• [国際共同研究] University of Tartu(エストニア)
  • 国名: エストニア
  • 外国機関名: University of Tartu
• [国際共同研究] UC Santa Cruz(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: UC Santa Cruz
• [雑誌論文] Defective mitochondrial tRNA taurine-modification activates global proteostress and leads to mitochondrial disease (2018)
  • 著者名/発表者名: 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.
  • 雑誌名: Cell Reports 巻: 22 ページ: 482-496
  • DOI: doi.org/10.1016/j.celrep.2017.12.051
  • 査読あり
• [雑誌論文] Metabolic and chemical regulation of tRNA modification associated with taurine deficiency and human disease (2018)
  • 著者名/発表者名: 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.
  • 雑誌名: Nucleic Acids Res. 巻: 46 ページ: 1565-1583
  • DOI: doi.org/10.1093/nar/gky068
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The ribosomal A-site finger is crucial for binding and activation of the stringent factor RelA (2018)
  • 著者名/発表者名: 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.
  • 雑誌名: Nucleic Acids Res. 巻: 46 ページ: 1973–1983
  • DOI: doi.org/10.1093/nar/gky023
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Accurate estimation of 5-methylcytosine in mammalian mitochondrial DNA (2018)
  • 著者名/発表者名: Matsuda, S., *Yasukawa, T., Sakaguchi, Y., Ichiyanagi, K., Unoki, M., Gotoh, K., Fukuda, K., Sasaki, H., Suzuki, T. and Kang, D.
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 8 ページ: 5801
  • DOI: doi.org/10.1038/s41598-018-24251-z
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] CO2-sensitive tRNA modification associated with human mitochondrial disease (2018)
  • 著者名/発表者名: 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.
  • 雑誌名: Nature Commun. 巻: in press ページ: in press
  • DOI: doi: 10.1038/s41467-018-04250-4
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] RNA editing enzyme ADAR2 is a mediator of neuropathic pain after peripheral nerve injury (2017)
  • 著者名/発表者名: Uchida, H., Matsumura, S., Okada, S., Suzuki, T., Minami, T. and Ito, S.
  • 雑誌名: The FASEB Journal 巻: 31 ページ: 1847～1855
  • DOI: doi.org/10.1096/fj.201600950R
  • 査読あり
• [雑誌論文] Human BCDIN3D monomethylates cytoplasmic histidine transfer RNA (2017)
  • 著者名/発表者名: Martinez, A., Yamashita, S., Nagaike, T., Sakaguchi, Y., Suzuki, T. and Tomita, K.
  • 雑誌名: Nucleic Acids Research 巻: 45 ページ: 5423-5436
  • DOI: doi.org/10.1093/nar/gkx051
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] ALKBH1 is an RNA dioxygenase responsible for cytoplasmic and mitochondrial tRNA modifications (2017)
  • 著者名/発表者名: Kawarada, L., Suzuki, T., Ohira, T., Hirata, S., Miyauchi, K. and *Suzuki, T.
  • 雑誌名: Nucleic Acids Research 巻: 45 ページ: 7401～7415
  • DOI: doi.org/10.1093/nar/gkx354
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Biochemical and structural characterization of oxygen-sensitive 2-thiouridine synthesis catalyzed by an iron-sulfur protein TtuA (2017)
  • 著者名/発表者名: 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.
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 114 ページ: 4954～4959
  • DOI: doi.org/10.1073/pnas.1615585114
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hydroxylation of a conserved tRNA modification establishes non-universal genetic code in echinoderm mitochondria (2017)
  • 著者名/発表者名: Nagao, A., Ohara, M., Miyauchi, K., Yokobori, S., Yamagishi, A., Watanabe, K. and *Suzuki, T.
  • 雑誌名: Nature Structural & Molecular Biology 巻: 24 ページ: 778～782
  • DOI: doi.org/10.1038/nsmb.3449
  • 査読あり
• [雑誌論文] Intrinsic Ribosome Destabilization Underlies Translation and Provides an Organism with a Strategy of Environmental Sensing (2017)
  • 著者名/発表者名: Chadani, Y., Niwa, T., Izumi, T., Sugita, N., Nagao, A., Suzuki, T., Chiba, S., Ito, K. and Taguchi, H.
  • 雑誌名: Molecular Cell 巻: 68 ページ: 528～539.e5
  • DOI: doi.org/10.1016/j.molcel.2017.10.020
  • 査読あり
• [雑誌論文] Biogenesis and iron-dependency of ribosomal RNA hydroxylation (2017)
  • 著者名/発表者名: Kimura, S., Sakai, Y., Ishiguro, K. and Suzuki, T.
  • 雑誌名: Nucleic Acids Res. 巻: 45 ページ: 12974-12986
  • DOI: doi.org/10.1093/nar/gkx969
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] S-Adenosylmethionine Synthesis Is Regulated by Selective N6-Adenosine Methylation and mRNA Degradation Involving METTL16 and YTHDC1 (2017)
  • 著者名/発表者名: Shima, H., Matsumoto, M., Ishigami, Y., Ebina, M., Muto, A., Sato, Y., Kumagai, S., Ochiai, K., Suzuki, T. and Igarashi, K.
  • 雑誌名: Cell Reports 巻: 21 ページ: 3354-3363
  • DOI: doi.org/10.1016/j.celrep.2017.11.092
  • 査読あり
• [学会発表] Molecular pathogenesis of mitochondrial disease caused by tRNA modification deficiency (2017)
  • 著者名/発表者名: Tsutomu Suzuki
  • 学会等名: FASEB science research conferences-Mitochondrial Biogenesis and Dynamics in Health, Disease and Aging
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Molecular pathogenesis of human disease caused by tRNA modification deficiency (2017)
  • 著者名/発表者名: Tsutomu Suzuki
  • 学会等名: The 43rd Naito Conference- Noncoding RNA：Biology, Chemistry, & Diseases
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] RNA修飾によるエピトランスクリプトーム制御と疾患 (2017)
  • 著者名/発表者名: 鈴木 勉
  • 学会等名: 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
  • 招待講演
• [学会発表] Metabolic regulation of tRNA modification associated with human disease (2017)
  • 著者名/発表者名: Tsutomu Suzuki
  • 学会等名: IMB symposium on Nucleic Acid Modification
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 細胞内メタボライトを感知するRNA修飾と疾患 (2017)
  • 著者名/発表者名: 鈴木 勉
  • 学会等名: IIBMP2017シンポジウム「ポストゲノム時代のRNAバイオロジー」
  • 招待講演
• [学会発表] Metabolic regulation of RNA modification associated with human disease (2017)
  • 著者名/発表者名: Tsutomu Suzuki
  • 学会等名: Cold Spring Harbor Asia "RNA modification and epitranscriptome"
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Metabolic regulation of RNA modification associated with human disease (2017)
  • 著者名/発表者名: Tsutomu Suzuki
  • 学会等名: ConBio2017
  • 国際学会 / 招待講演
• [備考] 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
• [備考] 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
• [備考] 2018 Breakthrough Articles from NAR
  • URL: www.narbreakthrough.com/category/2018-breakthrough-articles/