遺伝子の水平伝播を更新する

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クリストフ

この地球上で知られているすべての生命体の起源が共通であることを示す最も説得力のある論拠のひとつは、すべての生命体が同じ遺伝暗号を使っているということである。私の理解では、多くの生命体が自分たちに適した方法で正規の遺伝コードを変更し、そうすることで驚くべき創造性を発揮するという数多くの発見によって、この議論は、おそらくやや直感に反して強化されている。遺伝暗号にどのような手を加えることができるかを示す最近の一例は、『ネイチャー』誌1月26日号の表紙を飾った（図1）。

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図1. Nature』1月23日号（第613巻、7945号）の表紙。扉絵： ブラストクリチディア・ノンストップ。Fは鞭毛；Pは前酵母虫の段階；Cは嚢胞状のストラスティガーの段階（長さ〜3μm）。写真 Jan Votýpka。出典
Záhonováら（2023年）は、トリパノソーマ原生生物（シャーガス病の原因であるトリパノソーマ・クルージを含む、臨床的・経済的に懸念される植物・昆虫・脊椎動物の寄生虫ファミリー）のスクリーニングにおいて、ブラストクリチジア・ノンストップを単離し、培養し、塩基配列を決定した。後続研究の著者であるKachaleら（2023）の言葉を借りれば、トリパノソーマ科は「さまざまな奇妙なことで知られている」。簡単に説明すると、T. bruceiのキネトプラストDNA（kDNA）とは、この原生生物のミトコンドリアDNAのことで、実際には数個の最大円と数百のミニ円からなるDNAの網の目のように絡み合ったものである。Jensen & Eglund (2005)による総説より： 「T.bruceiのマキシサークル転写産物は、ウリジル酸残基がオープンリーディングフレームを作るために、転写産物内の特定の内部部位に組み込まれたり、そこから取り除かれたりする驚くべき反応によって、大きく編集されている。ミニサークルは、編集特異性の鋳型となる小さなガイドRNAのほとんどをコードしている。" あなたが今CRISPRを思い浮かべているなら、それは間違いではない。

ブラストクリチディア・ノンストップには、研究者たちにとってもうひとつの「奇妙さ」があった。Záhonováら（2023）は、その遺伝子のオープンリーディングフレームには、事実上フレーム内停止コドンがあふれていることを発見した（図2）。予測された7,259個のタンパク質コード遺伝子のうち、228個だけがフレーム内のUGA、UAA、UAG停止コドンを欠いていた。これらは主に高発現遺伝子であり、細胞質リボソームタンパク質、翻訳因子、ヒストン、ミトコンドリア電子輸送鎖サブユニット、その他数種類をコードしている。他のトリパノソーマ類の相同遺伝子との比較から、著者らは、UGAはトリプトファン（Trp, W）をコードし、UAGとUAA（UAR）はグルタミン酸（Glu, E）をコードすると結論づけた。驚くべきことに、UAAと、頻度は低いがUAGは、正真正銘の停止コドンとしても機能するようである。単語内のピリオドは非常に珍しいので、ここで「匂いテスト」をしてみよう：

しかし、ブラストクリチディアのリボソムは、このような「停止コドン」を持つmRNAの翻訳をノンストップで行っている。図1で説明したよりももう少し詳しく、彼らがどのようにこれを実現しているかを紹介しよう。

UAA/UAGの再割り当て B. nonstopの核ゲノムには70個のtRNA遺伝子があり、その中にはUAR停止コドン（R=GまたはA）の両方に対応するtRNAGluCUAとtRNAGluUUAが含まれている。Kachaleら(2023)による徹底的な系統学的解析は、これらのストップコドンを認識するtRNAの起源が標準的なtRNAGluであることを支持しており、B. nonstopにおけるtRNAGluCUAとtRNAGluUUAの発現とチャージ、およびトリパノソーマのモデル種であるT. bruceiにおけるtRNAGluCUAとtRNAGluUUAの非存在をノーザンブロット解析によって確認した。

UAAは好ましい停止コドンである。これまでのところ、オープンリーディングフレーム(ORF)の3'末端にあるUAA停止コドンでの翻訳終結が、tRNAGluUUAによるリードスルーをどのように克服することができるのか、著者らは本当の手がかりを持っていない。しかしながら、他のトリパノソーマとは異なり、B. nonstopのORFは、停止コドンの下流の最初の〜40塩基（その後にT-ストレッチが続く）において、コード鎖中のAが著しく濃縮されている。これは、他の種でA+Uリッチ配列と相互作用することが知られているポリ(A)結合タンパク質(PABP)が関与している可能性を示している。

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図2. ブラストクリシディアの祖先におけるAT変異シフトの可能な結果を示すスキーム。ブラストクリシディアの祖先における頻繁なGCからATへの置換は、B. nonstopゲノムで観察される次のような結果をもたらした可能性がある：全体的にATリッチなゲノム；頻繁なTAAコドンを持つ遺伝子間領域の極端なATリッチ化；フレーム内停止コドンの出現。UAGからUAA、UGAからUAAへの置換は進化的に中立であるが、TGGからTGA、GAGからTAG、GAAからTAAへの置換は許容される。ソース
トリプトファンをコードするUGAの同族tRNAがB. nonstopゲノムから欠落しており、Kachaleら（2023）は、tRNATrpCCAが他のトリパノソーマのように細胞質でCCAからUCAへのアンチコドン編集を受けないことを発見した。二次構造の予測から、B. nonstop tRNATrpCCAのアクセプターステム（AS）の長さはわずか4bpであることが示唆されたが、近縁種のT. bruceiや他のトリパノソーマ類では、標準的なtRNAの長さである5bpのASが存在する（図3参照）。同系および異種系におけるin vitroおよびin vivoの一連の試験により、「短い」tRNATrpCCAは、インフレームUGAコドンにおけるリードスルー（＝Trpの取り込み）を実際に有意に増加させることが確認された。

3つのコドンの再割当は、UGAの再割当と変更されたtRNA構造の組み合わせの場合、ブラストクリチディアが進化し、その "更新されたコード "にシームレスに対応するには十分ではないようだ。

まず、Záhonováら（2023）は先の研究で、翻訳終結因子eRF1の高度に保存された位置に、珍しいSer74Glyの置換を発見した。Kachaleら（2023）は、酵母またはヒトeRF1ホモログに同様のSer67Ala置換を導入し、S. cerevisiaeで発現させたところ、UGAコドンではリードスルーが有意に増加したが、UAA/UAGコドンでは全く増加しなかった。これは、Ser67Alaが生体内でUGAを停止コドンとして解読することを特異的に制限していることを示しており、B. nonstopでは明らかに望ましい効果である。

第二に、真核生物では、B. nonstopのオープンリーディングフレーム全体に見られるように、早発停止コドンを持つmRNAの分解は、広範なナンセンス媒介崩壊経路（NMD）が担っている（図2）。余談だが、停止コドンを欠くmRNAを別の方法で分解するという関連した問題を、バクテリアはトランス翻訳によって解決している（STCのこちらを参照）。トリパノソーマ科の1つの分派では、NMD経路の重要な構成要素であるUpf1とUpf2が進化の初期に失われており、Kachaleら（2023）は、これがB. nonstopにおける停止コドン再割当ての前提条件の1つであったのではないかと推測している。

図
図3（A）修飾ヌクレオシド、tRNA構造、コドン-アンチコドン相互作用の強さがコドンの解読精度に及ぼす影響。tRNA解読の忠実度は主に、アンチコドン塩基とコドン塩基の相互作用の強さ、tRNAの存在量、修飾ヌクレオシド、tRNA構造によって調節される。3番目のコドンの位置（最初のアンチコドンの位置）には、1つのtRNA種が複数のコドンを解読できるような解読の柔軟性がある。つまり、遺伝暗号の61のセンスコドンは、＜61の異なるtRNA種＞によって解読できる。この解読の柔軟性（ウォブルルール）は、アンチコドンの最初の塩基の性質、特にその修飾、またアンチコドンループ内の他の塩基の修飾によって調節される。第37塩基の修飾は、アンチコドンの第3塩基と第1コドン塩基との相互作用を調節するため、解読の忠実度に強い影響を与える。tRNAの全体的な構造、特にアンチコドンステムの構造も、解読精度を維持する上で重要な役割を果たしている。出典 (B)青色で修飾塩基を示す酵母由来のtRNA-Phe m2G: 2-メチルグアノシン; D: 5,6-ジヒドロウリジン; m22G: N2-ジメチルグアノシン; Cm： O2'-メチル-シチジン；Gm．O2'-メチルグアノシン；T：5-メチルウリジン（リボチミジン）；Y：ワイブトシン（Y塩基）；Ψ：プソイドウリジン；m5C：5-メチル-シチジン；m7G：7-メチルグアノシン；m1A：1-メチルアデノシン。CC BY-SA 3.0 イクラズール
少し歴史を振り返ると、「代替遺伝暗号」の長い研究は、ヒトや酵母のミトコンドリアの遺伝暗号が正規の遺伝暗号から逸脱していることが知られるようになった1970年代後半に始まった。Santosら（2004）は20年前の総説で次のように述べている： 「これらの研究により、コドンの再割り当てをもたらす突然変異の固定化に対して強い負の力が働いているにもかかわらず、遺伝暗号は依然として進化し続けていることが明らかになった。in vitro、in vivo、in silicoの比較ゲノム研究から得られた最近のデータは、tRNAの修飾ヌクレオシド、遺伝暗号のあいまいさ、ゲノムの塩基組成、コドンの使用法、コドンの再割り当ての間の、これまで見過ごされてきた重要な関連を明らかにしている。そして、彼らは次のように予測している。"...遺伝暗号の変異の研究は、おそらく（翻訳装置によって制御される）mRNAの解読の忠実性がどのようにゲノムの塩基組成、コドンの用法、再割当てを形成するかについての重要な新しい洞察を提供し、最終的には環境とゲノムの進化を結びつける新しい分子機構を明らかにするだろう"。アメーバ鞭毛虫のような渦鞭毛藻類や、Blepharisma sp.、Parduczia sp.、Condylostoma magnumのような繊毛虫から、1つまたは最大3つの停止コドンの再割当てを伴う遺伝暗号の変異が知られている。Kachaleら（2023年）の研究により、この偉大なパズルに新たなピースが加わった（詳細は図3を参照）。

形而上学的な話に入る前に、実際の例を挙げよう（ちょっとした練習だ）。セラティア・シンビオティカCWBI-2.3の「RNAポリメラーゼ・サブユニットα」をコードするrpoA遺伝子のDNA配列を偶然見つけたとして、このセラティアのRpoAタンパク質と大腸菌K-12参照株MG1655のRpoAタンパク質はどの程度似ているのだろうかと自問してみる。というのも、一般的に、ここでは詳細を省くが、DNA配列レベルよりもタンパク質レベルで類似性／相同性を計算する方が理にかなっているからである。セラチアRpoAタンパク質の配列はNCBIタンパク質データベースでアクセッション番号QLH63909.1で見つかる。セラチアと大腸菌は腸内細菌目（Enterobacterales）の最初のいとこなので、驚くことではないが、2つのタンパク質を互いにBLASTする前に、QLH63909.1ファイルのヘッダーにある「FEATURES」セクションを読み、そこに重要な情報を見つけるだろう：

  1. /coded_by="complement(CP050855.1:2924630..2925619) "という行は、タンパク質配列がDNA配列から翻訳されたものであり、タンパク質配列決定によって決定されたものではないことを物語っている。これはゲノム配列決定プロジェクトではほぼ例外なく行われていることである。私が知っている最近の例外はSu'tsuguら（2008）で、大腸菌hda遺伝子の正しい翻訳開始部位をタンパク質配列決定によって稀な開始コドンCUGに決定した。

  2. /transl_table=11という行は、特定のNCBIコドン使用表が適用されたことを示す。大腸菌のRpoA配列にも同じコドン使用表が使われている。例えば、NCBIのBlastocrithidiaのコドン使用表を見るには、"31 "までスクロールダウンしてください。(便宜上、ここで "31 "をクリックしてもよい）。

つまり、DNA配列ではなく、正しいコドン使用表があるタンパク質配列をとれば、実際にナシとリンゴを比較することができるのだ。学習・演習目標達成🗹。

ストップ・メイキング・センス』（Stop Making Sense）は、米国のロックバンド、トーキング・ヘッズが出演した1984年の音楽映画である（有名な公開時のポスターはこちら）。彼らとは全く関係ないが、翻訳終結を研究している研究者たちが自分たちと関連づけ、1988年に初めてPubMedにタイトルとして登場した：Stop making sense: or Regulation at the level of termination in eukaryotic protein synthesis (Valle & Morch (1988))。それ以来、このタイトルは1年おきくらいにPubMedに掲載されるようになった。Kachaleら（2023年）の論文の共著者であるLeoš Shivaya ValášekとKelly Krauseは、図1に示す『Nature』の表紙を共同でデザインした。どうやら、彼らはこれなしではいられなかったようだ。原生生物Blastocrithidiaでは3つの停止コドンがすべてノンストップに再割り当てされるため、レオシュとケリーが "stop "の複数形を選択したことに、私も我慢できなかった。ところで、この種名は規則に従って正しくラテン語化されていないが、これはふさわしくないのだろうか？

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投稿日: 2023年8月21日01:30 AM カテゴリー: 生理学・遺伝学, 原生生物｜ パーマリンク

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