リケラボ論文検索は、全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索できる論文検索サービスです。

リケラボ 全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索するならリケラボ論文検索大学・研究所にある論文を検索できる

リケラボ 全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索するならリケラボ論文検索大学・研究所にある論文を検索できる

大学・研究所にある論文を検索できる 「リボソームのユビキチン化による翻訳品質管理の分子基盤の解明」の論文概要。リケラボ論文検索は、全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索できる論文検索サービスです。
リケラボ

コピーが完了しました

URLをコピーしました

論文の公開元へ論文の公開元へ
書き出し

リボソームのユビキチン化による翻訳品質管理の分子基盤の解明

杉山 誉人 東北大学

2021.03.25

概要

生物を形作るタンパク質は、DNA を鋳型として転写されたmRNA がリボソームによって正確に翻訳されることで産生される。この遺伝子発現の過程ではある頻度でエラーが生じてしまうが、このようなエラーを検知して、産生された異常 mRNA やそれ由来の誤ったペプチド鎖を細胞内から迅速に除去する仕組みとして、生体には品質管理機構が備わっている。本博士論文では、異常翻訳の品質管理を含め、細胞内で生じるリボソームの動的変化に依存した多様な分解機構に着目して解析を行った。
タンパク質の合成過程である翻訳反応は、巨大な RNA-タンパク質複合体であるリボソームによって行われる。リボソームは、①mRNA にコードされた遺伝暗号をコドンと呼ばれる読み枠に従って解読し、②アミノ酸へと変換することでペプチド鎖を合成する、という翻訳反応に必須な 2 つの活性を持つ。これまで、特異的な mRNA の翻訳により、もしくはそれ由来のペプチド鎖の影響によって、上述した翻訳活性が阻害され、リボソームが停止するという現象が報告されてきた(Inada and Aiba, 2005; Dimitrova et al., 2009; Yanagitani et al., 2011; Chandrasekaran et al., 2019; Shanmuganathan et al., 2019)。mRNA 上でのリボソームの停止は、その mRNA 由来の合成途上のペプチド鎖が産生されないだけではなく、後続のリボソームによる翻訳を阻害するために、細胞にとって有害である。このため、細胞内にはRibosome-associated Quality Control (RQC)と呼ばれる品質管理機構が備わっており、RQC は合成途上のペプチド鎖を迅速に分解を誘導するのみならず、停止したリボソームを解離することで異常翻訳の解消を導いている。これまで、RQC の分子機構については、主に出芽酵母を用いて研究が進められており、その結果、RQC の惹起には、停止したリボソームと後続のリボソームの衝突が必須であることが明らかになっている(Matsuo et al., 2017; Juszkiewicz et al., 2018; Ikeuchi et al., 2019)。さらに、当研究室では、リボソームの衝突センサーとして E3 ユビキチンリガーゼである Hel2 がリボソームタンパク質 uS10 に K63 型ポリユビキチン鎖を伸長することで、翻訳異常に陥ったリボソームに対して目印をつけることを報告した(Ikeuchi et al., 2019; Matsuo et al., 2020)。その後、uS10 のユビキチン化依存的に、停止リボソームの解離を担う RQT 複合体がリクルートされ、解離後の 60S サブユニットを舞台として、合成途上のペプチド鎖が分解へと誘導される(Shao and Hegde, 2014; Shao et al., 2015; Shen et al., 2015; Matsuo et al., 2020)。このように、RQC においては、リボソームユビキチン化が引き金となり、停止リボソームの解離と合成途上のペプチド鎖の分解が誘導され、異常翻訳が解消されることが明らかになっている。

図 1. 出芽酵母における RQC を介した翻訳停止の解消機構

本研究では、はじめに、リボソームのユビキチン化の種間での保存性について検討を行った。これまで、哺乳類細胞における RQC の研究は、出芽酵母において同定された因子群の機能的ホモログを同定するまでにとどまっており、その活性については不明な点が多く残されていた。そこで、内在性の RQC 標的配列として同定された Xbp1u mRNA(Han et al., 2020)上でのリボソームの停止を in vitro で再現し、これまでに同定した Hel2 のホモログであるZNF598(Garzia et al., 2017; Matsuo et al., 2017; Sundaramoorthy et al., 2017; Juszkiewicz et al., 2018)、RQT複合体と高いホモロジーを持つ ASCC3-ASCC2-TRIP4 三者複合体(Hashimoto et al., 2020)について、RQC 反応の再構築を行うことでそれらの活性評価を行なった。その結果、哺乳類細胞においても、Xbp1u mRNA 上で停止したリボソームは、後続のリボソームと衝突することを明らかにした。また、出芽酵母Hel2 と同様に、ZNF598 は、衝突リボソームに対しユビキチン鎖という目印をつけること、その標的はリボソームタンパク質 uS10 および eS10 であること、さらに ZNF598 はより強いリボソームの衝突を標的とし、uS10 に K63 型ポリユビキチン鎖を伸長することを見出した。さらに、ASCC3-ASCC2-TRIP4 からなる三者複合体が ZNF598 により形成された K63 型ポリユビキチン鎖に依存したリボソームのサブユニット解離を行うことを明らかにした。このようにして、リボソームのユビキチン化を引き金とする RQC を介した異常翻訳の解消は、出芽酵母から哺乳類細胞まで、種間で高く保存されていた(Sugiyama et al., unpublished data)。

図 2. 哺乳類細胞における RQC を介した翻訳停止の解消機構
これまで特異的な mRNA やペプチド鎖により翻訳活性が阻害され、リボソームが停止する例に着目してきたが、リボソーム自身の活性不全によってもその異常停止が惹起されると考えられる。次に、コドン解読に必須なリボソームの活性部位である Decoding Center(DC)に変異を有し、翻訳活性不全を誘発する機能不全リボソームに焦点を当てた。先行研究により、出芽酵母において DC に変異を持つリボソーム RNA(rRNA)は、18S Nonfunctional Ribosomal RNA Decay (18S NRD)と呼ばれる経路によって、細胞内で迅速にかつ特異的に分解を受けることが報告されていた(LaRiviere et al., 2006)。このため、18S NRD においても RQCと同様に、リボソームのユビキチン化が関与すると想定し解析を行った。その結果、18S NRD の惹起には、リボソームタンパク質 uS3-K212 残基のユビキチン化が必須であることを明らかにした。さらに、18S NRD における uS3 のユビキチン化は、非常に特殊な多段階反応であり、E3 リガーゼ Mag2 によってモノユビキチン化された uS3 を基質にして、E3 リガーゼ Hel2 や Rsp5 が K63 型ポリユビキチン化を行うことを明らかにした。また、当研究室では、uS3 のユビキチン化が機能不全リボソームのサブユニット解離に必須であることを明らかにしており、このようにして、解離後の変異を有する 40S サブユニット中の 18S rRNAに対して、特異的に RNase がアクセスし、選択的な分解が可能になる、と考えられる(Sugiyama et al., 2019)。

図 3. 出芽酵母における 18S NRD を介した翻訳活性

全リボソームの分解機構
リボソームによる翻訳反応は一定の速度ではなく、緩急をつけて行われている。この翻訳速度は「リボソームへのアミノアシル tRNA のリクルートのしやすさ」に依存しており、この指標はコドン至適度として定義づけられている (Pechmann and Frydman, 2013)。さらに先行研究によって、コドン至適度が低く翻訳速度が遅延した mRNA の安定性は相対的に低いことが報告されていた (Presnyak et al., 2015)。しかしながら、どのような因子群がリボソームの速度変化をモニターし、mRNA 分解を誘導するのかは明らかになっていなかった。本研究の結果、リボソームの翻訳速度遅延は、遺伝子発現を広範に制御する Ccr4-Not 複合体の構成成分であるNot5 の N 末端領域により検知されることが明らかになった。そこで、翻訳遅延が生じたリボソームのユビキチン化に着目し解析を行った結果、Not4 によるリボソームタンパク質 eS7 のユビキチン化が、 Not5 の N 末端領域を介したリボソームへの安定な結合、およびそれによる非至適mRNA の分解に関与することが明らかになった。さらに、Not5 の N 末端領域を介したリボソームへの結合は、mRNA 分解活性化因子Dhh1 のリクルートを惹起しており、これら一連の反応によって、コドン至適度に依存した mRNA 分解が誘導されることが明らかになった(Buschauer et al., 2020)。

図 4. 出芽酵母における翻訳遅延に伴う非至適 mRNA の分解機構
以上のように、本研究では、リボソームの異常衝突、翻訳不全、速度遅延、といった特徴的な反応に依存して誘導されるペプチド鎖分解、rRNA 分解、 mRNA 分解が、リボソームのユビキチン化により惹起されることを明らかにした。このように、これまで遺伝子発現の過程における翻訳マシンとして知られていたリボソームが、細胞内で生じた緊急事態に応答するために、自身にユビキチン鎖という目印をつけることで、異常翻訳に陥った mRNA-リボソーム-新生ペプチド鎖複合体の存在を細胞内に知らせ、それらの選択的かつ迅速な分解を惹起することが明らかになった。

論文の公開元へ

この論文で使われている画像

関連論文

関連論文をもっと見る

参考文献

Amaya Ramirez, C. C. et al. (2018) ‘4EHP-independent repression of endogenous mRNAs by the RNA-binding protein GIGYF2’, Nucleic Acids Research, 46(11), pp. 5792–5808. doi: 10.1093/nar/gky198.

Brandman, O. et al. (2012) ‘A Ribosome-Bound Quality Control Complex Triggers Degradation of Nascent Peptides and Signals Translation Stress’, Cell, 151(5), pp. 1042–1054. doi: 10.1016/j.cell.2012.10.044.

Brickner, J. R. et al. (2017) ‘A ubiquitin-dependent signalling axis specific for ALKBH-mediated DNA dealkylation repair’, Nature, 551(7680), pp. 389–393. doi: 10.1038/nature24484.

Chandrasekaran, V. et al. (2019) ‘Mechanism of ribosome stalling during translation of a poly(A) tail’, Nature Structural & Molecular Biology, 26(12), pp. 1132–1140. doi: 10.1038/s41594-019-0331-x.

Choe, Y.-J. et al. (2016) ‘Failure of RQC machinery causes protein aggregation and proteotoxic stress’, Nature, 531(7593), pp. 191–195. doi: 10.1038/nature16973.

Dango, S. et al. (2011) ‘DNA Unwinding by ASCC3 Helicase Is Coupled to ALKBH3-Dependent DNA Alkylation Repair and Cancer Cell Proliferation’, Molecular Cell, 44(3), pp. 373–384. doi: 10.1016/j.molcel.2011.08.039.

Darnell, A. M., Subramaniam, A. R. and O’Shea, E. K. (2018) ‘Translational Control through Differential Ribosome Pausing during Amino Acid Limitation in Mammalian Cells’, Molecular Cell, 71(2), pp. 229-243.e11. doi: 10.1016/j.molcel.2018.06.041.

Defenouillère, Q. et al. (2013) ‘Cdc48-associated complex bound to 60S particles is required for the clearance of aberrant translation products’, Proceedings of the National Academy of Sciences, 110(13), pp. 5046–5051. doi: 10.1073/pnas.1221724110.

Doamekpor, S. K. et al. (2016) ‘Structure and function of the yeast listerin (Ltn1) conserved N-terminal domain in binding to stalled 60S ribosomal subunits’, Proceedings of the National Academy of Sciences, 113(29), pp. E4151–E4160. doi: 10.1073/pnas.1605951113.

Garzia, A. et al. (2017) ‘The E3 ubiquitin ligase and RNA-binding protein ZNF598 orchestrates ribosome quality control of premature polyadenylated mRNAs’, Nature Communications, 8(1), p. 16056. doi: 10.1038/ncomms16056.

Han, P. et al. (2020) ‘Genome-wide Survey of Ribosome Collision’, Cell Reports, 31(5),　p. 107610. doi: 10.1016/j.celrep.2020.107610.

Hashimoto, S. et al. (2020) ‘Identification of a novel trigger complex that facilitates ribosome-associated quality control in mammalian cells’, Scientific Reports, 10(1), p. 3422. doi: 10.1038/s41598-020-60241-w.

Hickey, K. L. et al. (2020) ‘GIGYF2 and 4EHP Inhibit Translation Initiation of Defective Messenger RNAs to Assist Ribosome-Associated Quality Control’, Molecular Cell, 79(6), pp. 950-962.e6. doi: 10.1016/j.molcel.2020.07.007.

Higgins, R. et al. (2015) ‘The Unfolded Protein Response Triggers Site-Specific Regulatory Ubiquitylation of 40S Ribosomal Proteins’, Molecular Cell, 59(1), pp. 35–49. doi: 10.1016/j.molcel.2015.04.026.

Ikeuchi, K. et al. (2019) ‘Collided ribosomes form a unique structural interface to induce Hel2-driven quality control pathways’, The EMBO Journal, 38(5), p. e100276. doi: 10.15252/embj.2018100276.

Ikeuchi, K., Izawa, T. and Inada, T. (2019) ‘Recent Progress on the Molecular Mechanism of Quality Controls Induced by Ribosome Stalling’, Frontiers in Genetics,　9. doi: 10.3389/fgene.2018.00743.

Inada, T. (2020) ‘Quality controls induced by aberrant translation’, Nucleic Acids　Research, 48(3), pp. 1084–1096. doi: 10.1093/nar/gkz1201.

Joazeiro, C. A. P. (2019) ‘Mechanisms and functions of ribosome-associated protein quality control’, Nature Reviews Molecular Cell Biology, 20(6), pp. 368–383. doi: 10.1038/s41580-019-0118-2.

Jung, D.-J. et al. (2002) ‘Novel transcription coactivator complex containing activating signal cointegrator 1’, Molecular and Cellular Biology, 22(14), pp. 5203–5211. doi: 10.1128/mcb.22.14.5203-5211.2002.

Juszkiewicz, S. et al. (2018) ‘ZNF598 Is a Quality Control Sensor of Collided Ribosomes’, Molecular Cell, 72(3), pp. 469-481.e7. doi: 10.1016/j.molcel.2018.08.037. Juszkiewicz, S., Slodkowicz, G., et al. (2020) ‘Ribosome collisions trigger cis-acting feedback inhibition of translation initiation’, eLife. Edited by I. Topisirovic, S. R. Pfeffer, and I. Topisirovic, 9, p. e60038. doi: 10.7554/eLife.60038.

Juszkiewicz, S., Speldewinde, S. H., et al. (2020) ‘The ASC-1 Complex Disassembles Collided Ribosomes’, Molecular Cell, 79(4), pp. 603-614.e8. doi: 10.1016/j.molcel.2020.06.006.

Juszkiewicz, S. and Hegde, R. S. (2017) ‘Initiation of Quality Control during Poly(A) Translation Requires Site-Specific Ribosome Ubiquitination’, Molecular Cell, 65(4), pp. 743-750.e4. doi: 10.1016/j.molcel.2016.11.039.

Kim, H.-J. et al. (1999) ‘Activating Signal Cointegrator 1, a Novel Transcription Coactivator of Nuclear Receptors, and Its Cytosolic Localization under Conditions of Serum Deprivation’, Molecular and Cellular Biology, 19(9), pp. 6323–6332.

Kostova, K. K. et al. (2017) ‘CAT-tailing as a fail-safe mechanism for efficient degradation of stalled nascent polypeptides’, Science (New York, N.Y.), 357(6349), pp. 414–417. doi: 10.1126/science.aam7787.

Kuroha, K. et al. (2018) ‘Release of Ubiquitinated and Non-ubiquitinated Nascent　Chains from Stalled Mammalian Ribosomal Complexes by ANKZF1 and Ptrh1’,　Molecular Cell, 72(2), pp. 286-302.e8. doi: 10.1016/j.molcel.2018.08.022.

Lee, J. W. et al. (1995) ‘Two classes of proteins dependent on either the presence or absence of thyroid hormone for interaction with the thyroid hormone receptor.’, Molecular Endocrinology, 9(2), pp. 243–254. doi: 10.1210/mend.9.2.7776974.

Liu, B., Han, Y. and Qian, S.-B. (2013) ‘Cotranslational Response to Proteotoxic Stress by Elongation Pausing of Ribosomes’, Molecular Cell, 49(3), pp. 453–463. doi: 10.1016/j.molcel.2012.12.001.

Lyumkis, D. et al. (2014) ‘Structural basis for translational surveillance by the large ribosomal subunit-associated protein quality control complex’, Proceedings of the National Academy of Sciences, 111(45), pp. 15981–15986. doi: 10.1073/pnas.1413882111.

Matsuo, Y. et al. (2017) ‘Ubiquitination of stalled ribosome triggers　ribosome-associated quality control’, Nature Communications, 8(1), p. 159. doi: 10.1038/s41467-017-00188-1.

Matsuo, Y. et al. (2020) ‘RQT complex dissociates ribosomes collided on endogenous RQC substrate SDD1’, Nature Structural & Molecular Biology, 27(4), pp. 323–332. doi: 10.1038/s41594-020-0393-9.

Meydan, S. and Guydosh, N. R. (2020a) ‘A cellular handbook for collided ribosomes: surveillance pathways and collision types’, Current Genetics. doi:　10.1007/s00294-020-01111-w.

Meydan, S. and Guydosh, N. R. (2020b) ‘Disome and Trisome Profiling Reveal Genome-wide Targets of Ribosome Quality Control’, Molecular Cell, 79(4), pp. 588-602.e6. doi: 10.1016/j.molcel.2020.06.010.

Osuna, B. A. et al. (2017) ‘In vitro analysis of RQC activities provides insights into the　mechanism and function of CAT tailing’, eLife. Edited by A. G. Hinnebusch, 6, p. e27949. doi: 10.7554/eLife.27949.

Pisareva, V. P. et al. (2011) ‘Dissociation by Pelota, Hbs1 and ABCE1 of mammalian vacant 80S ribosomes and stalled elongation complexes’, The EMBO Journal, 30(9), pp. 1804–1817. doi: 10.1038/emboj.2011.93.

Pochopien, A. A. et al. (2020) ‘Structure of Gcn1 bound to stalled and colliding 80S ribosomes’, bioRxiv, p. 2020.10.31.363135. doi: 10.1101/2020.10.31.363135.

Shalgi, R. et al. (2013) ‘Widespread Regulation of Translation by Elongation Pausing in Heat Shock’, Molecular Cell, 49(3), pp. 439–452. doi: 10.1016/j.molcel.2012.11.028.

Shanmuganathan, V. et al. (2019) ‘Structural and mutational analysis of the ribosome-arresting human XBP1u’, eLife. Edited by R. S. Hegde, D. Ron, and A. Mankin, 8, p. e46267. doi: 10.7554/eLife.46267.

Shao, S. et al. (2015) ‘Structure and Assembly Pathway of the Ribosome Quality Control Complex’, Molecular Cell, 57(3), pp. 433–444. doi: 10.1016/j.molcel.2014.12.015.

Shao, S. and Hegde, R. S. (2014) ‘Reconstitution of a Minimal Ribosome-Associated Ubiquitination Pathway with Purified Factors’, Molecular Cell, 55(6), pp. 880–890. doi: 10.1016/j.molcel.2014.07.006.

Shen, P. S. et al. (2015) ‘Rqc2p and 60S ribosomal subunits mediate　mRNA-independent elongation of nascent chains’, Science, 347(6217), pp. 75–78. doi: 10.1126/science.1259724.

Shoemaker, C. J., Eyler, D. E. and Green, R. (2010) ‘Dom34:Hbs1 Promotes Subunit Dissociation and Peptidyl-tRNA Drop-Off to Initiate No-Go Decay’, Science, 330(6002), pp. 369–372. doi: 10.1126/science.1192430.

Sinha, N. K. et al. (2020) ‘EDF1 coordinates cellular responses to ribosome collisions’,　eLife. Edited by N. Sonenberg, J. L. Manley, and N. Sonenberg, 9, p. e58828. doi: 10.7554/eLife.58828.

Sitron, C. S. and Brandman, O. (2019) ‘CAT tails drive degradation of stalled polypeptides on and off the ribosome’, Nature Structural & Molecular Biology, 26(6),　pp. 450–459. doi: 10.1038/s41594-019-0230-1.

Sitron, C. S. and Brandman, O. (2020) ‘Detection and Degradation of Stalled Nascent Chains via Ribosome-Associated Quality Control’, Annual Review of Biochemistry, 89(1), pp. 417–442. doi: 10.1146/annurev-biochem-013118-110729.

Sitron, C. S., Park, J. H. and Brandman, O. (2017) ‘Asc1, Hel2, and Slh1 couple translation arrest to nascent chain degradation’, RNA, 23(5), pp. 798–810. doi: 10.1261/rna.060897.117.

Soll, J. M. et al. (2018) ‘RNA ligase-like domain in activating signal cointegrator 1 complex subunit 1 (ASCC1) regulates ASCC complex function during alkylation damage’, Journal of Biological Chemistry, 293(35), pp. 13524–13533. doi: 10.1074/jbc.RA117.000114.

Su, T. et al. (2019) ‘Structure and function of Vms1 and Arb1 in RQC and mitochondrial proteome homeostasis’, Nature, 570(7762), pp. 538–542. doi: 10.1038/s41586-019-1307-z.

Sundaramoorthy, E. et al. (2017) ‘ZNF598 and RACK1 Regulate Mammalian Ribosome-Associated Quality Control Function by Mediating Regulatory 40S Ribosomal Ubiquitylation’, Molecular Cell, 65(4), pp. 751-760.e4. doi: 10.1016/j.molcel.2016.12.026.

Tollenaere, M. A. X. et al. (2019) ‘GIGYF1/2-Driven Cooperation between ZNF598 and TTP in Posttranscriptional Regulation of Inflammatory Signaling’, Cell Reports, 26(13), pp. 3511-3521.e4. doi: 10.1016/j.celrep.2019.03.006.

参考文献をもっと見る

全国の大学の
卒論・修論・学位論文
を
一発検索！

この論文の関連論文を見る