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化学と生物 Vol. 51, No. 11, 2013
原核生物における small RNA による転写後発現制御研究の展開
その作用機構と制御ネットワーク全体での役割
原核生物はあらゆる環境で生息しているが，そこで生 きるためには真核生物よりも少ない遺伝情報を巧みに制 御して細胞内のタンパク質を必要なときに必要な量だけ 合成する．これまで転写レベルの調節を担う転写制御因 子に関する研究が盛んに行われ，環境中のシグナル物質 に応答するタンパク質による転写効率の変化という観点 から遺伝子発現制御機構の理解が深められてきた．近年 RNAを中心とした転写後レベルでの調節の重要性が認 識されてきており，その中でも特に non-coding small RNA （sRNA） による制御が注目を集めている．sRNA はRNA結合性タンパク質の活性を制御するものと，あ るRNAに対してアンチセンスRNAとして機能するも の（もしくはその両方の機能を有するもの）に大別され るが，本稿では後者のみについて触れる．
異なる遺伝子座にコードされるmRNAに で作 用する最初のsRNA MicFは1984年に大腸菌で発見され た（1）
．
に作用するsRNAはターゲットmRNAと短 く不完全な塩基対を形成して，複数の遺伝子を制御する 能力をもっている．たとえばMicFの場合，唯一既知の ターゲットであった外膜タンパク質OmpF以外にも，大腸菌の全遺伝子の10%を制御する重要な転写制御因 子Lrpをはじめとする複数のターゲットを制御すること が最初の発見から約30年後に明らかになった（2, 3）
．
多くの場合sRNAとターゲットmRNAとの塩基対形 成にはRNAシャペロンHfqを必要とし（4）
，主に2通り
の作用機序によって遺伝子の発現を負に制御する．sRNAの結合位置がmRNA上のSD配列周辺から開始コ ドン下流数塩基にある場合には，sRNAはリボソームと 競合して翻訳開始を阻害するのが主要な機構である（5）
（図
1
A）．これに伴いmRNAは不安定化してRNaseによ
る分解を受ける．一方，sRNAが開始コドンよりもはる か 下 流 に 結 合 す る 場 合 に は，sRNAはHfqを 介 し て RNase EによるmRNAの分解を誘起することで遺伝子 発現を負に制御する（6, 7） （図1B）．
sRNAによる正の制御の代表的な例として，それぞれ 異 な る 条 件 で 誘 導 さ れ る3種 の sRNA, DsrA, RprA, ArcZ によるシグマ因子RpoSの転写後制御が挙げられ る（8）
．この場合，
mRNAの5′ 非翻訳領域はSD配列周辺が二次構造を形成して翻訳が抑制されている状態 にあるが，sRNAはmRNAとの結合によってその二次 構造を開くことで翻訳を促進する（図1C）
．また，多く
の場合に翻訳の活性化はmRNAの安定化を伴うことが 知られている．一方，負の制御の作用機序から類推し て，sRNAがmRNAを直接安定化して遺伝子発現を活 性化する可能性も予想されるが（図1D），最近明らかに
なったその一例を以下に紹介する（9）．
細菌においてグルコースはPTS系による取り込みに 伴ってグルコース-6-リン酸 （G6P） に変換される．G6P の過剰な蓄積は糖リン酸ストレスを引き起こし，大腸菌 などの腸内細菌ではそれに応答して SgrS sRNA が誘導 される．SgrSはグルコーストランスポーター IICBGlc を コードする など糖取り込みに関与する複数の mRNAを負に制御する一方で（5）
，機能未知脱リン酸化
酵素をコードする mRNA を正に制御する．は上流のリゾホスホリパーゼL2をコードする とオ ペロンを形成し - mRNA として転写されるが，
SgrSは mRNA のみを選択的に安定化する． - mRNA は のコード領域において RNase E に よるプロセシングを受けてさらに5′ から3′ 方向に分解 されるが，SgrSは 開始コドン上流のRNase E解裂 位置に結合することでRNase Eによる分解を阻害する ことが明らかになった（図1D）
．
の開始コドンに 変異を導入してもmRNAが安定化することから，この 活性化機構は翻訳とは独立の事象であると考えられる．また， のSD配列周辺をほかの遺伝子のものに置換 しても同様の活性化が見られることから，上述のような 特定の二次構造を必要とする従来の活性化機構には当て はまらない．ただし，RNase E温度感受性変異株にお いて非許容温度ではmRNAのプロセシングだけでなく rRNAやtRNAの成熟化も不活性化されるため，mRNA の安定化に伴うタンパク質レベルの活性化は検出できな いことに注意しなければならない．本研究はYigLが細 菌では未同定であったグルコースを基質とする脱リン酸 化酵素であることも明らかにし，sRNAによる発現制御 研究を通して新規の遺伝子機能が解明された一例であ る．以上の活性化機構の生理学的意義は，SgrSが糖取
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り込みの抑制によるフィードバック制御だけでなく，
G6Pの無毒化によるより迅速な糖リン酸ストレスの解除 を実現していることにある．
当初sRNAは偶発的に発見されてきたが，2000年代 における飛躍的な塩基配列解析技術の発展を経て現在で は数百種類ものsRNAが原核生物で同定されている．現 在のところその多くは機能未知であるが，最早その数は 転写制御因子の数に匹敵する．興味深いことに，調節の 段階は異なるが，ある遺伝子がタンパク質による転写制 御とsRNAによる転写後制御を両方受ける例が複数報告 されている．また，sRNAの発現は主に転写レベルで制 御されることが知られている一方で，転写制御因子の発 現がsRNAによって転写後レベルで制御される例も多く 報告されている．さらにはsRNAがほかのRNA種によ り転写後レベルでも制御されることが明らかにされつつ ある．このように複雑な遺伝子発現制御ネットワークの 中でsRNAが果たす役割には，翻訳を介さない迅速な制 御，代謝コストの低減などが挙げられるが，それを転写 制御因子で置き換えることができないのは明白である．
細胞内の全転写産物を一塩基レベルの解像度で解読する ことが可能となった現在，より多くの微生物種の多様な
生理学的条件でのトランスクリプトームが解読されるこ とが期待される．その中でsRNAが遺伝子発現制御ネッ トワークに予想外のつながりをもたらし，何らかの新規 な制御を可能とすることは想像に難くない．そして生物 の代謝能力を効率よく利用することを目指す農芸化学分 野の中でもsRNA研究から得られる知見が貢献できると ころは大きいと考えている．
1） 水野 猛：化学と生物，49, 426 （2011）.
2） E. Holmqvist, C. Unoson, J. Reimegård & E. G. H. Wagner : , 84, 414 （2012）.
3） C. P. Corcoran, D. Podkaminski, K. Papenfort, J. H. Ur- ban, J. C. Hinton & J. Vogel : , 84, 428
（2012）.
4） J. Vogel & B. F. Luisi : , 9, 578
（2011）.
5） 森田鉄平，饗場弘二：化学と生物，45, 298 （2007）.
6） V. Pfeiffer, K. Papenfort, S. Lucchini, J. C. Hinton & J.
Vogel : , 16, 840 （2009）.
7） K. J. Bandyra, N. Said, V. Pfeiffer, M. W. Górna, J. Vogel
& B. F. Luisi : , 47, 943 （2012）.
8） K. Fröhlich & J. Vogel : , 12, 674
（2009）.
9） K. Papenfort, Y. Sun, M. Miyakoshi, C. K. Vanderpool &
J. Vogel : , 153, 426 （2013）.
（宮腰昌利，ヴュルツブルク大学）
図1■ に作用するHfq依存性 sRNAによる遺伝子発現制御とその 機構
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宮腰 昌利（Masatoshi MIYAKOSHI）
＜略歴＞2002年東京大学農学部生命化 学専攻卒業／2005年日本学術振興会特別 研究員DC2（東京大学生物生産工学研究 センター）／2007年東京大学大学院農学 生命科学研究科応用生命工学専攻博士課 程修了／同年日本学術振興会特別研究員 PD（東北大学大学院生命科学研究科）／
2010年ヴュルツブルク大学Institute for Molecular Infection Biology, Postdoctoral fellow／2013年日本学術振興会海外特別 研究員（ヴュルツブルク大学Institute for Molecular Infection Biology）＜研究テーマ と抱負＞腸内細菌におけるアミノ酸代謝の 転写後調節機構に関する研究＜趣味＞フラ ンケンワイン，トランペット演奏
