ちょうど1年経ったので:ノーベル化学賞2009解説—その1—

明日,2010年10月6日はノーベル化学賞の発表日だ.

ちょうど1年前,自分の専攻分野からノーベル化学賞が発表され,勢いにまかせて別ブログに解説記事を書いてみた.
徹夜明けの僕が語るよ「日本で二番目に早いノーベル化学賞2009解説」

本ブログの方が記事を掲載するのに適切なため,ちょうど1周年記念ということもあり,ノーベル化学賞2009解説記事を再編集して掲載する.

ちなみに僕は半人前の構造生物学者だが,リボソームの研究者ではないので要注意.

はじめに

2009年度ノーベル化学賞

受賞理由
"for studies of the structure and function of the ribosome"
- リボソームの構造と機能に関する研究に対して

細胞内タンパク質合成装置であるリボソームの微細な立体構造の決定し,どうやってタンパク質が作られるか,その詳細を明らかにした研究が対象となった.

この研究を主導した3人の構造生物学者——結晶化を先駆的に進めたYonath*150Sを構造決定した Steitz*270Sを決定したRamakrishnan*3——が化学賞を受賞した.Steitzによる50S,Yonathによる30Sの構造決定はともに 2000年,Ramakrishnanによる全体構造の決定は2006年であり,受賞までに10年もかかっていない.もうリボソームノーベル賞が出たか…,という印象だ.


図1. 50Sリボソームの構造(PDBID: 2J00)

彼らの研究は

  1. 遺伝情報からタンパク質が作られるという,生物にとって基本中の基本と言える生化学反応の詳細なメカニズムを解明した
  2. 巨大な生体高分子の立体構造解析研究(構造生物学)としてのインパクトが多大であった
  3. 細菌感染症に対する新規抗生物質の開発という応用的意義が大きい

という3つの点が高く評価された.

ここでは,受賞した3人と惜しくも受賞を逃した1人の研究について紹介することで,構造生物学研究で最もエポックメイキングな研究でもある「リボソームの構造解析」について解説する.

前提知識

遺伝情報の流れ

DNAに刻まれた遺伝情報はDNA→RNA→タンパク質へと変換され,機能する.生命の設計図=DNAに書かれているのは,実は細胞の中で働くタンパク質の作り方.まずDNAの情報は,mRNAというコピーに「転写」される.mRNAはA, U, G, Cの4文字で書かれている.さらにmRNAからタンパク質へと遺伝情報は「翻訳」される.この翻訳を担うのがリボソーム.DNA,RNA,タンパク質は全て,カセットテープのように情報が一列に並んでいる(一次元的な情報媒体).

タンパク質

生命現象のメインプレイヤー.例えば,赤血球に含まれるヘモグロビンやパイナップルに含まれ肉をやわらかくする酵素パパインは,どちらもタンパク質.細胞の骨組みも,細胞内で起こる生化学反応も,ありとあらゆる生命現象はタンパク質の働きによって担われている.

タンパク質は,20種類のアミノ酸(例外あり)が順番に,1本の紐のように数珠つなぎになってできている.この紐(ポリペプチドと呼ばれる)が適切な形に折り畳まることで,タンパク質として機能を発揮する.アミノ酸の並び方によって,タンパク質の構造と機能は決まる.ヒトにはざっと10万種類くらいのタンパク質が存在する.

リボソーム

細胞内にあるタンパク質合成装置のこと.mRNAというテープの情報を読み取り,書かれている順番通りにアミノ酸をつなげることでタンパク質を作り出す.このステップは翻訳と呼ばれる.

リボソーム自身も,RNAとタンパク質という2種類の生体高分子からできた核酸-タンパク質複合体.直径は約200 nm,分子量260万.細胞内に存在する複合体としてはかなり巨大で,普通のタンパク質の100倍(分子量比)くらい.リボソームは細菌タイプと真核生物タイプの2種類がある.今回の研究は全て細菌タイプのリボソームについて行われた.細菌リボソームは大きく分けると,50Sリボソームと30Sリボソームという2つのブロックが組み合わさっている.リボソーム全体のことは70Sリボソームと呼ばれる*4

リボソームの構造解析

ここまでは予備知識と言うことで,ここからは今回のノーベル賞受賞となった「リボソームの構造解析」について解説しよう.

カタチを見る生物学


図2. X線結晶構造解析の流れ

今回受賞した3氏は,「X線結晶構造解析」と呼ばれる手法を用いて,リボソームの「詳細な立体構造」を決定する研究を行った.リボソーム

  1. mRNAに結合する
  2. アミノアシルtRNAを取り込む
  3. mRNAの情報を読み取って対応するアミノ酸をつなげていく

という機能を持っている.アミノアシルtRNAは,tRNAというアダプター分子にアミノ酸が結合したものであり.タンパク質合成の材料として使われる.

遺伝情報が翻訳されてタンパク質が作られることは,全ての生物にとって最も基本的な生命現象である.そのためリボソームの機能については,これまでに数々の研究が進められてきた.しかしながら,リボソームがどのようにmRNAやアミノアシルtRNAと結合し,どうやってmRNAの情報を読み取り,迅速かつ正確にアミノ酸をつなげていくのか,このメカニズムを明らかにするには,リボソームの構造や各ステップでの変化を「原子レベルで」詳細に観察する必要があった.例えて言うなら,馬がどうやって地面を蹴って走るかを知るには,高速連写した写真を撮る必要がある,というような話だ.

X線結晶構造解析とは?

原子レベルで立体構造を見るための方法としては,X線結晶構造解析,電子顕微鏡,NMRという3つの方法がある.今回の3氏が用いた方法はX線結晶構造解析である.


図3. 50Sリボソームの結晶.大きさは1 mm以下

X線結晶構造解析とは生体高分子(タンパク質,DNA,RNAなど)の立体構造を決定するための手法の1つ.細胞内で働く生体高分子は非常に小さく,ヒトの身長を地球の直径にまで拡大した時,標準的なタンパク質は野球ボール〜バスケットボールくらいの大きさである.このように小さいものを,原子1つ1つを見分けられるレベルで形を決めるためには,顕微鏡ではなく特殊な方法が用いられる.

まず生体高分子を大量に精製し,特殊な条件で結晶化させる.この結晶にX線を当てて回折データを集め,コンピュータで色々頑張ることで立体構造を決めることができる.この方法を使うと,タンパク質を形作る炭素原子や酸素原子などが,どの位置にどう並んでいるかを明確に決めることができる.この「タンパク質のX線結晶構造解析法の開発」に対して,1962年にノーベル化学賞が与えられている.

ノーベル化学賞,4人の候補者たち

リボソームの詳細な立体構造を知るためには,まずリボソームを結晶化する必要がある.受賞者の1人Ada Yonathは,X線結晶構造学者としてずっとリボソームの結晶化を目指していた.「結晶化」という実験は試行錯誤だらけの世界.どうすればうまくいくかは分からず,ひたすら実験を繰り返して,運良く結晶化する条件を探し出さなければならない.またリボソームは巨大な生体高分子であるため,通常のタンパク質以上に結晶化が困難だった.しかし,Yonathたちは粘り強く研究を進めた結果,30Sと50Sの両方のリボソーム結晶化を世界で初めて成功した.これが90年代後半のこと.

しかし,構造を決定するためには,結晶化は最初のステップにすぎない.次に,結晶にX線を当てて「回折データ」を収集し,コンピュータで解析する必要がある.Yonathグループはリボソームの結晶化を世界に先駆けて成功させたが,構造を決定する部分では後れを取ってしまった.

ここで一歩リードしたのが,もう一人の受賞者Tom Steitzである.彼も結晶構造学者であり,リボソームの構造決定のために研究を行っていた.そして,Yonathが突き止めた結晶化条件を参考に自分達もリボソームの結晶を作り,回折データを収集・解析して,ついに50Sリボソームの結晶構造を決定に成功した*5.この発表が2000年8月11日.直後の9月1日,Yonathらも30Sリボソームの構造を発表する*6.この2つが世界初の「リボソームの詳細な立体構造」の報告となった.

さらにもう1人の受賞者Venki Ramakrishnanも,30Sリボソーム抗生物質との複合体構造を発表*7.これが9月21日.わずか1ヶ月あまりの発表ラッシュは,リボソーム立体構造の決定がどれだけ激しい競争であったかを物語っている.

しかし,これらの仕事の裏には,惜しくも受賞を逃したHarry Nollerの存在があった.そして,この時点ではまだリボソームの部分構造しか解明されていない.全体=70Sの構造が決定されるのは,ここからさらに6年の月日を待つこととなる.

*1:イスラエル人.日本語では「ヨナット博士」あるいは「ヨナス博士」と表記されることが多い.

*2:アメリカ人.日本語では「シュタイツ博士」,「スタイツ博士」と表記される.

*3:イギリス人.日本語では「ラマクリシュナン博士」と表記される.

*4:50S + 30S = 70Sという不思議な足し算だが,この理由を知りたい人は「沈降係数」を調べてほしい.

*5: http://bit.ly/2kTqd5

*6: http://bit.ly/4lPoGo

*7: http://bit.ly/tFWn7

ちょうど1年経ったので:ノーベル化学賞2009解説—その3—

ここまで4人の仕事を解説してきたので,最後に「リボソームの構造と機能に関する研究」が生物学にどのような影響を与えたか,授賞のポイントとなったであろうインパクトについて解説する.

1. 基礎生物学的に大きな意義

今回の研究は,DNA→RNA→タンパク質という遺伝情報の流れの後半部分:RNA→タンパク質について,その詳細なメカニズムを明らかにした

RNA→タンパク質という情報の「翻訳」は全ての生物が持つ,最も基本的な生化学反応であり,そのメカニズムの解明はヒトに至る全ての生物に適用することができる*1

翻訳の際は,まずmRNAに30Sが結合し,mRNA上をスキャンして開始コドン=AUGを探し,AUGを見つけると30Sに開始tRNAが結合し,さらに 50Sが結合して70Sとなる.ここに順番にアミノアシルtRNAが運ばれてくることで翻訳が進む.これまでの構造解析により,30S・50S単独だけでなく,30SとmRNA,tRNA,70SとmRNA,tRNAなど,翻訳の各ステップに対応する様々な状態の構造が決定されたことで,その結合様式やコドンを3塩基ずつ読むメカニズムが解明されている.こうした研究の全てが,受賞者3氏によって先駆的に行われた

2. 構造生物学研究としてエポックメイキング

リボソームは,これまで原子分解能で立体構造が決定された生体高分子(複合体)の中で,最も大きい*2生体高分子の立体構造を詳細に解析することで,細胞内で起こる生化学的な変化を原子レベルで明らかにするという構造生物学において,ある種の極致とも言える研究となっている

2000年代に入ってからのノーベル化学賞の中で生物系の授賞は今回を含めて5回.2003イオン・水チャネル,2004プロテアソーム,2006RNAポリメレース,2008GFP,そして今年.この中で2003,2006,2009の3回が構造生物学研究に対する授賞となっている.2003,2006と比較しても,今回の研究はそれらと並ぶか上回るインパクトを構造生物学・生化学分野に与えたのは確実である.

3.抗生物質開発という応用的意義

細菌感染症は未だに大きな医学的問題であり,細菌に対抗するために抗生物質が利用されている.抗生物質の多くは細菌のリボソームに結合し,その機能をブロックすることで細菌を死滅させる.これまでの研究で,抗生物質が結合した状態のリボソーム構造が数多く解明され,抗生物質の作用メカニズムが明らかとなった.さらに,これらの知見は新しい抗生物質の開発の可能性を広げるものである.この理由はノーベル賞のプレスリリースにも掲載されている.


いつでも話題(問題)となることだが,ノーベル賞の枠=3人に対して,研究には4人以上が関わっていることが多い.今回の場合,Steitz,Ramakrishnan,Yonath,Nollerの4人がノーベル賞を争った.

Steitzはリボソーム構造として最初(50S),Ramakrishnanは全体=70Sとして最初だったため,ある意味当確だった.残る1枠がYonathとなるか,Nollerとなるかは,事前に予想していた時も人によって分かれるところだった.最終的にスウェーデンのカロリンスカ医科大学ノーベル賞委員会は,詳細な立体構造解明に直接的に関わったYonathを選択した.しかし,4人目の枠があれば,確実にNollerももらっていただろう.

未解決の問題たち

まだいくつかの問題が残されている.

リボソーム=リボザイム」?

残された大きな問題の1つにリボソームはリボザイムか」というものがある.通常,細胞内で化学反応を触媒しているのは,酵素と呼ばれるタンパク質である.しかし,RNAの中にも触媒活性を持つものがあり,これらはリボザイム(リボ=RNA,ザイム=酵素)と呼ばれている.

リボソームによるタンパク質の合成では,既に出来ているポリペプチドの後ろに,アミノ酸を転移する(つなげる)ことで,ポリペプチドが1つずつ伸びていく.この転移反応をリボソームが触媒していることは間違いない.そして,この触媒反応はおそらくリボソームに含まれるRNAによってなされている,ということは実験的に示唆されている.それでは,リボソームRNA酵素活性を持つリボザイムなのだろうか? これはリボソーム研究の有名な問題の1つだが,これまでの構造解析研究からは,リボソームがリボザイムとして働くという明確な証拠は得られていない.

「真核生物型リボソームの立体構造決定」

もう1つ,残された大きな問題に「真核生物型リボソームの立体構造決定」がある.これまでの研究で,細菌型リボソームの立体構造研究は大幅に進歩した.しかし,ヒトを含む真核生物と呼ばれる生き物達のリボソームについては,未だに立体構造が決定されていない.

細菌型も真核生物型も,基本的なタンパク質合成ステップは同じであるが,構成要素は大きく異なっている.さらに,真核生物のリボソームには,細菌以上に複雑な制御システムが存在しており,それは真核生物の遺伝子調節機構と密接に関連している.真核生物リボソームの構造決定の競争は,ノーベル賞を受賞した3人を含む世界中の研究者による競争となっている.


「誰が最初にリボソームの立体構造を決定するか」というレースは幕を閉じ,2009年のノーベル化学賞は,細菌型リボソームの立体構造を決定した3人に贈られた.

しかし,今なおリボソームの研究は続いている.

あとがき(2010-10-05)

今年の7月,真核生物である発芽酵母(Yeast)の80Sリボソームの立体構造がPDBに登録された*3.ついに真核生物のリボソームの構造も決定されたことになる.しかも,40Sリボソームや60Sリボソームという,部分ユニットではなく,いきなり全体構造である80Sから解明された.解明したのは,ノーベル賞を受賞した3氏ではなく,フランスのチームであった*4

リボソームを巡る構造解析研究は,次のステップに進む.それは,80Sリボソームと翻訳制御因子(翻訳開始・伸長・終結)との超分子複合体構造の解析である.真核生物が持つ複雑で精緻な遺伝子発現メカニズムを解き明かすことが,次の大きなテーマとなる.

2010-10-05現在,まだ真核生物リボソームの論文は公開されていないため,その内容については不明である.噂によると,分解能が高くないため,この80Sリボソームの構造だけでは,望まれる詳細な議論はできないらしい.しかし,この解析がきっかけとなって,真核生物リボソームや翻訳制御メカニズムの構造基盤の解明が急速に進むことは間違いないだろう.

*1:真核生物のリボソームは細菌・古細菌とは異なる部分も多いが,基本的な反応過程は同じと考えられている

*2:現在はリボソームより分子量の大きい生体高分子の構造も高分解能で決定されている(ウイルスなど).しかし,対称性の高くない超分子複合体としては未だにリボソームが最も大きいはずだ.

*3:3O2Z, 3O30, 3O58, 3O5H. Yeast 80S ribosome. 論文が公開されていないため,詳細情報にはアクセス出来ない.

*4:Yusupov Group

ちょうど1年経ったので:ノーベル化学賞2009解説—その2—

ここまでのおさらい

ノーベル化学賞2009はリボソームの構造と機能について.Steitz(シュタイツ), Yonath(ヨナス), Ramakrishnan(ラマクリシュナン)の3人が受賞.

リボソーム:細胞内にあるタンパク質合成装置.mRNAの情報を読み取り,アミノ酸を順番につなげてタンパク質を作る.50Sサブユニットと30Sサブユニットの2つから成る.全体は50S+30S=70S.足し算が合わないのは七不思議の1つ.

X線結晶構造解析:生体高分子(タンパク質,DNA,RNAなど)を精製し,特殊な条件で結晶化.これにX線を当てて回折データを集め,コンピュータで色々頑張ると「原子レベルでの」立体構造を決めることができる.でも,決めるまでは試行錯誤だらけの世界.

立体ジグソーパズルを作るには

それでは,ノーベル賞の枠が4人だったら確実にもらっていただろうHarry Nollerは何をしたのだろうか.


図3. Thermus thermophilus 23SリボソーマルRNAの2次構造

RNAは4種類の塩基,タンパク質は20種類のアミノ酸が数珠繋ぎになった「紐」が折り畳まって決まった構造を取っている.構造解析とは,RNAやタンパク質の3次元的な並び方や折り畳まり方を決めることである.

結晶にX線を当てて収集した回折データを色々頑張って解析すると,最終的にRNAやタンパク質が持っている電子の雲が紐状に見える*1.また,リボソームがどんなRNAやタンパク質からできているか,それらがどういった塩基・アミノ酸の並びをしているかは,過去の遺伝学・生化学的研究から明らかになっていた(遺伝子配列を読むなど).

つまり,電子雲の紐(電子密度)に,アミノ酸や塩基を当てはめていくことで,生体高分子の立体構造を決定することができる.しかし,この方法でリボソームの構造を決定するには大きな問題があった.

電子密度にアミノ酸や塩基を当てはめるのは,簡単に言えば立体ジグソーパズルを作るようなものである.電子密度というパズルの枠に,アミノ酸や塩基というピースを当てはめていく必要がある.しかしリボソームはとても巨大なため,どうやってRNAやタンパク質がくっついているかという「ヒント」がなければ,正しい当てはめ方が分からない.だが,構造を決めなければ,どうRNAやタンパク質が付いているかは分からないX線結晶構造解析を成功させるには,このジレンマを解決する必要があった.

幻の4人目の受賞者 --Harry Noller--

これを解決したのがNollerの研究である.NollerはX線結晶構造解析とは異なるアプローチでリボソームの構造について研究を行っていた.彼は古典的な生化学的手法を用い,リボソームを構成するあるパーツの近くに,どのパーツがあるかを地道に調べていた.当然,この方法では相対的な位置関係が分かるだけで,X線結晶構造解析のように詳細な立体構造を決めることはできない.その代わりに,あるものの隣に何があるかという「大まかな構造」を知ることができる.彼らはその大まかな構造を丹念に調べていくことで,リボソームを構成するRNAやタンパク質が,どうやって配置されているかを明らかにしていった.

SteitzもYonathもRamakrishnanも,彼らのX線結晶構造解析には,Nollerが調べたリボソームの大まかな構造が利用されている.これがなければ,50Sや30Sの結晶構造から求めた電子密度にRNAやタンパク質を当てはめることはできなかった.しかし,リボソームの詳細な立体構造を解明し,リボソームがタンパク質を作り出す生化学的反応のステップを詳細に解析したのは,やはり今回受賞した3人であった.

70Sリボソームの構造解析——大きい=難しい——


図4. 70Sリボソームの立体構造(部分)

さて,50Sと30Sのリボソーム構造は2000年に立て続けに決定され,その後彼ら以外のグループも参入して,様々な生物種・状態での立体構造が決定されていった.しかし,リボソーム全体である70Sの構造はすぐには決まらなかった.

70Sの立体構造解析が難しかったのには理由がある.まず,結晶化用70Sリボソームを大量に調製するのが難しかった.50Sと30Sを混ぜれば 70Sになるという単純なものではない.30SにmRNAとtRNAが結合し,そこに50Sが結合して,初めて70Sが完成する.つまり70Sの調製は 50Sや30S単独の場合と比べて登場人物が多いため,均一かつ大量に作ることが難しかった.次に,70Sを結晶化させるための条件は50Sや30Sとは異なるため,新しく結晶化条件を探さなければならなかった.

さらに,50Sや30Sと比べても2倍近い大きさがある70Sは,結晶化,X線回折データの収集,コンピュータによる解析,手作業でのジグソーパズル作り,全ての面で難しさが大きくなる.このため,70Sの構造決定には50S・30Sからさらに6年がかかった.

2006年9月7日,Ramakrishnanは分解能2.8Aでの70Sリボソームの構造を発表した*2.70Sについても激しい競争があり,低分解能(大まかな形が見える)構造は他のグループからも報告されていたが,Ramakrishnanが他を抑える形となった.

最新論文の解説はモラルハザードか?

先日掲載した『人工細菌誕生』の論文を解説してみるに対して,「公開後1年以内の論文について,解説・講義などを公開することはモラルハザード*1だ」という指摘のメールが届いた.

自分としては寝耳に水の内容だったのだが,確かに公開されているとはいえ,商業論文誌に掲載された論文の内容を解説することが当然許されているものかどうか,深く考えていたわけではない.しかし,送られてきたメールは,内容に納得できない点が多々ある.そして,指摘は,このブログの存在意義の根幹に関わることでもある.

はたして,最新論文の解説はモラルハザードなのだろうか?

*1:「倫理の欠如」という意味で使っているようだ.wikipedia:モラル・ハザードの3つめの項目.

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『人工細菌誕生』の論文を解説してみる:その4・最終回(『人工細菌誕生』は何がすごいのか?)

これまでの2回の解説で,人工ゲノムの合成法とその移植について,実験内容の概略を説明した.

最終回の今回はいよいよ,この論文解説の中心である「『人工細菌誕生』は何がすごいのか」について解説する.

考察:「人工細菌誕生」という研究の意義


 結果の後に続く考察のポイントは6つある.

  1. 遺伝子工学の信頼性
  2. 開発した手法の汎用性
  3. ゲノム情報だけで生命は動くのか?
  4. 合成生物学への応用
  5. DNA合成費用のコスト低下
  6. 生命倫理

この中で,特にポイントとなるのは「1. 遺伝子工学の信頼度」「3. ゲノム情報だけで生命は動くのか?」の2つだ.

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『人工細菌誕生』の論文を解説してみる:その3(人工細菌の創出)

 前回は,Mmゲノムの人工合成法について解説した.
 今回は実験内容と結果の続きとして,Mmゲノムの移植による人工細菌の創出と,「半合成ゲノム」を持つ細菌の創出の2つについて解説する.

研究の流れ2:Mmゲノムの移植


図3. 人工合成Mmゲノムの移植と人工細菌の創出

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