生化学 SEIKAGAKU
Journal of Japanese Biochemical Society

生体内翻訳装置であるリボソームはRNA（rRNA）とタンパク質からなる巨大分子である．細菌では16S rRNA，23S rRNAがその構造の中心を占め，その周りを50あまりのタンパク質が取り囲んでいる．このように多成分からなりかつ複雑な構造を持つリボソームは，緊密に張り巡らされた相互作用を壊さぬよう，各成分が一体として進化してきたと考えられている．細菌の分子系統解析に16S rRNAの遺伝子配列が使われるが，これは原則的に16S rRNAが「種に固有」な分子としてみなされているからである．しかし興味深いことに，一部の細菌にはこの原則に従わないものがある．ゲノム内に配列相同性の低い2種の16S rRNA遺伝子を併せ持つものや，キメラ様16S rRNA遺伝子を持つものなどが知られているのである．水平伝播や遺伝的組換えを示唆するこれらの事例はどのように解釈すればよいのだろうか？　分子の骨格を変えてしまうような劇的な変化に対してリボソームはどのようにその機能を維持しているのだろうか？　我々は，リボソームの柔軟性を「16S rRNA遺伝子の水平伝播実験」により探った．

小型で単純なゲノムを持つ細菌は，分裂のたびにクローン増殖し進化してきたと考えられてきた．しかし最近の知見によると，細菌はゲノム解析の進展とともに，単なるコピーではなく，よりダイナミックにゲノムを変えながら進化してきたことがわかってきた．すなわち，異種細菌の遺伝子を取り込んだり，取り込んだ遺伝子を自らの遺伝子と組み換えたり，コミュニティの中で遺伝子を交換しながら進化してきたらしい．むろん，水平伝播や組換えがむやみに起きるわけではない．水平伝播や組換えにより移入される形質が無害であれば高頻度，有害であれば低頻度になるであろう．James A. Lakeらのグループは，種々の遺伝子の水平伝播頻度を解析し，アミノ酸合成やエネルギー代謝などに関わる‘Operational gene’は，転写・翻訳など，セントラルドグマに関わる‘Informational gene’よりも格段に高頻度であることを示した¹⁾

• 1) Jain, R., Rivera, M.C., & Lake, J.A. (1999) Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 96, 3801–3806.

遺伝子が水平伝播しないということは，それが「種に固有」であることを意味する．こうした遺伝子を比較解析すれば，生物進化の歴史をたどり，種の系統関係を解き明かすことも可能となろう．16S rRNA遺伝子はそうした遺伝子の代表格であり，細菌分子系統解析の‘Ultimate Chronometer’とも呼ばれている²⁾

• 2) Woese, C.R. (1987) Microbiol. Rev., 52, 221–271.

一方，この方法の根幹を揺るがす「例外」も知られている．たとえば，一つの染色体上に互いに相同性の低い複数の16S rRNA遺伝子を併せ持つ微生物や，複数の細菌由来の16S rRNA遺伝子がモザイク状になっているものが見つかっている^3–7)

• 3) Wang, Y. & Zhang, Z. (2000) Microbiology, 146, 2845–2854.
• 4) Schouls, L.M., Schot, C.S., & Jacobs, J.A. (2003) J. Bacteriol., 185, 7241–7246.
• 5) Acinas, S.G., Marcelino, L.A., Klepac-Ceraj, V., & Polz, M.F. (2004) J. Bacteriol., 186, 2629–2635.
• 6) Eardly, B.D., Nour, S.M., van Berkum, P., & Selander, R.K. (2005) Appl. Environ. Microbiol., 71, 1328–1335.
• 7) Miller, S.R., Augustine, S., Olson, T.L., Blankenship, R.E., Selker, J., & Wood, A.M. (2005) Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 102, 850–855.

1999年Catherine L. Squiresらのグループは，大腸菌の16S rRNAを異種生物のものに入れ替えることに成功した⁸⁾

• 8) Asai, T., Zaporojets, D., Squires, C., & Squires, C.L. (1999) Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 96, 1971–1976.

実験の流れは基本的にはSquiresらの方法に準じた．すなわち，大腸菌Δ7株に異種由来の16S rRNAを供給し，生育の可否から16S rRNAの機能を調べた（図1

• 図1 16S rRNA遺伝子の水平伝播実験

図1 16S rRNA遺伝子の水平伝播実験

メタゲノムを鋳型に多様な微生物由来の16S rRNA遺伝子をPCR増幅し，pRB103にクローニングする．ゲノム内の七つのrRNAオペロンを欠損した宿主株大腸菌KT101株をpRB103により形質転換する．KT101株には，一過的にpRB101とpRB103が共存した状態になる．この後，pRB103の薬剤耐性（ゼオシン）とショ糖によるカウンターセレクション（対抗選択）で，pRB101を脱落させる．異種生物種由来の16S rRNA遺伝子が大腸菌の生育を相補する場合，コロニーが得られる．

機能相補実験の宿主には，Δ7株であるKT101株⁹⁾

• 9) Kitahara, K. & Suzuki, T. (2009) Mol. Cell, 34, 760–766.

我々は，数万規模の異種16S rRNAライブラリーを作製し，スクリーニングに供した．その結果，33種の独立相補株を獲得した¹⁰⁾

• 10) Kitahara, K., Yasutake, Y., & Miyazaki, K. (2012) Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 109, 19220–19225.

以上，生育速度に若干の差はみられるものの，非常に広範な16S rRNAが大腸菌を生かすのに必要な翻訳活性を与えうることがわかった．では，異種生物の16S rRNAはどのように大腸菌のリボソームに受け入れられるのか？　これを明らかにするために，RNAの二次構造を解析した．一例として，ヘリックス21領域の配列・二次構造を示す（図2

• 図2 大腸菌内で機能する異種（A01およびA02）16S rRNAのヘリックス21領域の二次構造

図2 大腸菌内で機能する異種（A01およびA02）16S rRNAのヘリックス21領域の二次構造

塩基配列の変化（赤字）にも関わらず，二次構造が維持されている．

大腸菌を宿主とした16S rRNA遺伝子の水平伝播実験により，種の壁を越え，配列相同性80%ほどの16S rRNA遺伝子でも大腸菌リボソームに組み込まれて機能することがわかった．ただし，機能的な互換性の範囲は存在するようだし，水平伝播を阻む「防衛機構」も備わっているらしい¹¹⁾

• 11) Kitahara, K. & Miyazaki, K. (2011) Nat. Commun., 20, 616–622.

生物が「システムとして」生きている以上，翻訳装置リボソームの変化は細胞内の全タンパク質生産に影響する．リボソームの変化が翻訳活性にどのように影響し，それが代謝システムにどのように影響するかなど，生命のロバストネスという観点からも現在研究を進めている．