RNA-DIRECTED MOLECULAR ASYMMETRY OF AMINO ACIDS

Koji Tamura1,2,3
1Department of Biological Science and Technology, and
2Research Institute for Science and Technology, Tokyo University of Science, 2641 Yamazaki, Noda, Chiba 278-8510, Japan
3PRESTO, Japan Science and Technology Agency, 4-1-8 Honcho, Kawaguchi, Saitama 332-0012, Japan E-mail: koji@rs.noda.tus.ac.jp
(Received November 13, 2010; Accepted December 25, 2010)

(Abstract)

   (Abstract) Although living organisms have a symmetrical appearance at the macroscopic level, biological systems are composed of typical asymmetrical molecules: nucleic acids (RNA and DNA) have ribose with D-configuration while proteins have alpha-carbons with L-configuration. However, the origin of biomolecular homochirality is still unknown. Proteins are synthesized on the ribosome by the elongation of L-amino acids that are attached to tRNAs. Therefore, aminoacylation of tRNA could be the key step in the origin of amino acid homochirality. With this in mind, we attempted non-enzymatic aminoacylation of an RNA minihelix (primordial tRNA) with an aminoacyl-phosphate-D-oligonucleotide, which revealed chiral-selective aminoacylation of the RNA minihelix with a clear preference for L-amino acids. A mirror-image RNA system with L-ribose exhibited aminoacylation with the preference for D-amino acids. These results suggest that the stereochemistry of RNA could be the determinant of chiral-selectivity of amino acids. The D-ribose-based “RNA world” was probably established by chiral-selective ligation of oligonucleotides, which would have generated a “winner” sequence with an important chemical ability for evolution of life.

(Keywords)
homochirality; amino acids; tRNA; minihelix; RNA world; aminoacylation; stereochemistry

RNAが生み出すアミノ酸の分子非対称性

田村浩二1,2,3
1東京理科大学 基礎工学部 生物工学科
2東京理科大学 総合研究機構
〒278-8510 千葉県野田市山崎2641
3科学技術振興機構 さきがけ
〒332-0012 埼玉県川口市本町4-1-8
E-mail: koji@rs.noda.tus.ac.jp

1. はじめに

   生命の起源はあり得ない奇跡に例えられる。生命は数多くの生体分子が何よりも精巧な寄木細工のごとく組み上がり、絶妙な連携プレーを行っている。熱力学第2法則に従えば、生体分子のような重合体が自発的に生成するはずはなく、生命系は開放系の非平衡系として特徴づけられる[1,2]。外部からのエネルギーの導入によって、局所的にエントロピーを低下させ、自己組織化を図っている。こうした生体分子の中で、核酸とタンパク質は、地球上の生命を構成する典型的な分子である。DNAは、WatsonとCrickにより提唱された二重らせん構造を有し[3]、その遺伝情報はmRNA を経由し、最終的にタンパク質へと翻訳されて機能を発揮している。
   地球上の生命は、分子レベルでは極めて非対称性を持ったものとして存在しており、核酸はD型(右手型)の糖から、タンパク質はL型(左手型)のアミノ酸からのみ構成されている[4]。アミノ酸が一方のキラリティーからのみ構成されていることを「アミノ酸のホモキラリティー」と呼ぶが、その起源についての十分な解答は与えられていない。
   宇宙を構成する素粒子間には、基本的に4つの相互作用(重力相互作用、電磁相互作用、強い相互作用、弱い相互作用)が関与しているが[5]、「パリティーの破れ」と呼ばれる弱い相互作用に見られる対称性の破れの結果として、L−アミノ酸がD−アミノ酸よりも多く存在し得るという議論がある[6]。これらのL−アミノ酸が彗星などによって原始の地球に運ばれ、結果として、L−アミノ酸から構成される原始生命体ができたというものである[7-9]。最近、オリオン座付近に広大な円偏光の領域が発見され[10]、宇宙空間でのL−アミノ酸の優位性が議論されている。
   一方、分子にはキラル性を増幅するような構造的な要素を含んでいるという主張もある。5-ピリミジルアルカノールを不斉自己触媒としたピリミジン-5-カルバルデヒドとジイソプロピル亜鉛との反応に見られるように、片方のキラリティーを持つ物質が核になり、不斉自己増殖が起こる例が報告されている[11,12]。しかも驚いたことに、この不斉自己増殖は、中性子1個分の違いに相当する、キラルな同位体によっても起こりうることが示されており[13]、宇宙空間での、あるいは、地球上での、最初のわずかなキラル分子の存在比の違いが、ホモキラリティーの生成に関与していることがあり得たかもしれない。
    しかしながら、アミノ酸のホモキラリティーの起源を考える上においては、地球上の生命の起源を考える必要がある。本稿では、Biologicalな進化の立場から、アミノ酸のホモキラリティーの謎について重要なパースペクティブを与えるであろう、RNAミニヘリックスのキラル選択的アミノアシル化の発見について述べる。

2. RNAワールドとtRNAのアミノアシル化

   CrickはDNAの遺伝情報はRNAに転写され、それがタンパク質に翻訳されるというセントラルドグマを提唱した[14]。逆転写酵素の発見などにより[15,16]、一部、逆方向の情報の流れが明らかになったものの、基本的に、セントラルドグマの重要性は揺らいでいない。RNAの配列とアミノ酸の配列との対応が遺伝暗号であるが、彼はまた、RNAとアミノ酸の構造の相違性から、両者の物理化学的直接相互作用は困難であると考え、アダプター分子の存在を予言した[17]。そして、tRNAの発見としてその予言は的中した[18]。CechとAltmanによるリボザイムの発見によって[19,20]、核酸が先か、タンパク質が先か、という「鶏と卵」の問題に解決の道が開かれ、Gilbertが「RNAワールド」と名付けた、生命の起源における新しい概念が登場した[21]。
   tRNAのアミノアシル化は、遺伝情報の流れの根幹に位置し、RNAとアミノ酸とがはじめて出会うステップである。アミノアシルtRNA合成酵素(aaRS)によって、対応するtRNAに正しく結合したアミノ酸だけが、リボソーム上で繋がっていくことでタンパク質を生成させる[22]。
   aaRSを構成する部分のうち、アミノ酸を活性化し、tRNAに結合させるのに寄与する領域は、同一クラス内では、アミノ酸の種類が違っても構造が保存されているが、tRNAのアンチコドンを認識する領域は、同一クラス内でも、アミノ酸の種類によって大きく構造が異なっている[23,24]。一方、tRNAはクローバーリーフ状の二次構造が2つのヘリックスを中心にした構造に折り畳まれ、L字型の立体構造として存在している(Fig. 1)[25,26]。aaRSの構造が多様であるのに対し、tRNAのL字型は生物種を違えても保存されており、L字型の一方の端(CCA末端:アミノ酸結合部位)ともう一方の端(アンチコドン:mRNAとの対合部位)は約75Å離れて位置している。CCA末端を含むL字型の片方のヘリックス部分は「ミニヘリックス」と呼ばれ、L字型tRNAの始原的形態であると考えられている(Fig. 1)[23,24]。



Figure 1. Structure of tRNA. (A) Secondary clover-leaf structure of tRNA with invariant nucleotides and conserved secondary structure elements. (B) Tertiary L-shaped structure of tRNA (PDB ID 1EHZ). Minihelices (shown in red circle) correspond to one arm of the L-shaped tRNA with the CCA end. These minihelices are believed to have evolved into the L-shaped tRNAs by the addition of another arm with an anticodon.

   tRNAのアミノアシル化は、一般的に、次に示すような2段階反応である[22]。
     アミノ酸 + ATP + aaRS →アミノアシルAMP・aaRS + ピロリン酸
     アミノアシルAMP・aaRS + tRNA →アミノアシルtRNA + AMP + aaRS

   aaRSはATPのエネルギーを使い、アミノ酸をアミノアシルAMPという形態で活性化する。アミノアシルAMPに見られるアミノアシルリン酸結合は高エネルギー結合であり、2段階目でやって来たtRNAのCCA末端のアデノシンの3′-OH(あるいは2′-OH)のOがアミノアシルリン酸結合のカルボニル炭素を求核攻撃することで、最終的に、tRNAのアミノアシル化が完結する(Fig. 2)。2段階目の反応はエネルギー的にダウンヒル反応であり、aaRSはアミノアシルAMPとtRNAとの絶妙な空間的配置を実現している。



Figure 2. The process of tRNA aminoacylation. Aminoacyl-tRNA synthetases form aminoacyl adenylates as intermediates and the 2′-O or 3′-O of the terminal adenosine of tRNA attacks the carbonyl carbon of aminoacyl adenylates, producing aminoacyl-tRNA.

3. RNAミニヘリックスの非酵素的・キラル選択的アミノアシル化

   アミノアシルAMPは、原始地球を模した前生物学的環境においても生成されることが示されている[27]。一方、活性化モノヌクレオチドが、非酵素的にオリゴヌクレオチドにまで重合されることも明らかになっている[28,29]。これらの事実から、アミノ酸のカルボキシル基とオリゴヌクレオチドの5′-リン酸基との間にアシル結合を有する「アミノアシル-リン酸-オリゴヌクレオチド」という分子も、化学進化の過程で生成され得たことが考えられる。そこで、このアミノアシル-リン酸-オリゴヌクレオチドを用いて、原始のtRNAのアミノアシル化のモデルを作製した(Fig. 3)[30]。RNAワールドの要請は、ミニヘリックスのような原始tRNAに、タンパク質酵素の存在なしで、アミノアシル化が行われることであろう。
   アミノアシル化の本質は、活性化されたアミノ酸を、適切に空間的に配置し、エネルギーの高い方から低い方へと丘を下るようにダウンヒル反応させることである。そこで、アミノアシル-リン酸-オリゴヌクレオチドとミニヘリックスのCCA末端を、双方の配列に相補的な配列を有する架橋分子を用いて近づけた(Fig. 3)[30]。アミノアシルAMP(モノヌクレオチド)ではなく、アミノアシル-リン酸-オリゴヌクレオチドを用いる利点は、オリゴヌクレオチドが有する塩基間のスタッキング効果により、相補鎖とのワトソン・クリック型相互作用の構築を容易にすることである。スタッキング相互作用とワトソン・クリック型相互作用の効果が相まって、アミノ酸のドナーであるアミノアシル-リン酸-オリゴヌクレオチドと、アミノ酸のアクセプターであるミニヘリックスを、しっかりと近接位置に繋ぎ止めることを可能にしている。このモデル系において、アミノ酸はオリゴヌクレオチドのリン酸基からミニヘリックスの3′-末端のアデノシンのOH基へと移動し、確かにミニヘリックスのアミノアシル化が起こった。しかも反応部位はアデノシンの3′-OHの部分に限られるという空間的な制約が見られた。この制約は、L-アミノ酸とD-アミノ酸との識別にも作用し、L-アラニンが4倍も優位にアミノアシル化された。この傾向は、アラニンの場合に限らず、他のアミノ酸の場合にも明らかであった(Fig. 3)[30]。
   現在の地球上の生物のRNAを構成する糖はD型(D-リボース)であるが、「鏡の中の世界」での実験、すなわち、すべてのRNAをL型のリボースで作製した分子を用いて実験を行ったところ、D-アミノ酸の方が優位にミニヘリックスにアミノアシル化された[30]。この結果は、アミノ酸のキラリティーとRNAの糖のキラリティーは密接に関係していることを示している(Fig. 4)[31]。



Figure 3. Non-enzymatic aminoacylation of an RNA minihelix with an aminoacyl phosphate oligonucleotide occurs site-specifically (3′-OH) and chiral-selectively (L-amino acids).


Figure 4. Chiral-selective aminoacylation of an RNA minihelix is dependent on the chirality of the ribose. The stereochemistry of RNA could be the determinant of the chiral-selectivity of amino acids.

4. RNAワールドから見たL−アミノ酸の起源

   これまでの結果は、RNAワールドで成熟したアミノアシル化システムの結果として、L−アミノ酸が選択され、それが繋がった形での「L−アミノ酸から成るタンパク質」の誕生というイベントが、1つの可能性として考えられることを示している。しかし、進化は一回性のものであり、Scienceが扱うには不向きなものなのかもしれないが、少なくとも、明らかに、Scientificに、RNAが持つ構造の中にはアミノ酸のキラリティーを選択する要素が含まれていることは言えるであろう。これはまた、逆も真なりで、アミノ酸の構造の中にRNAのキラリティーを選択する要素が含まれているとも言える。後者の立場からの進化論も考えられ、筆者は決してそれを否定するものではないが、本稿では、前者の立場に立って、推測するに留めたい。
   生命進化のごく初期の時点で、RNAワールドというものが存在したであろうことについては、いくつもの証拠が集められて来ている[32]。RNAワールドの形態が具体的にどのようなものであったかは推測の域を出ないが、自己複製する実体としてのRNAを中心とした段階はあったのではないかと考えられる。WeinerとMaizelsは、酵素としてのRNAレプリカーゼと鋳型としてのRNAレプリカーゼに機能分化した自己複製RNAにおいて、複製の「タグ」の役割としてtRNA様構造が出現したのではないかという「ゲノミックタグモデル」を提唱している[33]。しかし、これらの過程で、いきなり長いRNAが存在したとは考えられず、RNAは短いオリゴマーの重合によってできたであろう。このような任意のエナンチオマーで構成される活性化オリゴマーを出発物質として、それらの重合で得られる長いRNAは、すべてD(D-ライブラリー)か、すべてL(L-ライブラリー)から成るRNAに限られることが実験的に示されている[34]。しかも、これらのオリゴマーの重合過程が確率論的に起こると仮定すれば、RNAが長くなっていくにつれて、実際に、そのRNAを構成する配列の数は、理論的に可能な配列の数に比べて、はるかに少なくなってくるのである。つまり、この重合過程において、ある長さを境にして、「対称性の破れ」は起こるべくして起こるのである(Fig. 5)。言い換えれば、D-ライブラリー、L-ライブラリーを構成する、それぞれのRNAの配列は同一のものではなくなり、ある特定の配列を持つRNAは、D-ライブラリーかL-ライブラリーかの、いずれか一方にしか存在していないという状況が現実的に起こることになる。だとすると、このどちらかのライブラリーにしか含まれない、特定の配列を持つRNAだけが「何らかの」化学反応を触媒し、生命の進化を進めた(それが偶々D-ライブラリーに含まれていた)、と考えれば、D-リボースから成るRNAの選択性の説明になるかもしれない(Fig. 5)[35,36]。この場合、ホモキラリティーの起源は偶然だったことになるが。



Figure. 5. “Symmetry violation” due to chiral-selective ligation of oligomer RNAs generated a “winner” sequence with an important chemical ability for evolution. This sequence would have been present only in the D-library, establishing a D-ribose-based “RNA world.”

5. おわりに

   生物界のホモキラリティーの起源の謎はつきない。生命の起源を探求する立場からは、ホモキラリティーが生まれた過程を明らかにするだけでなく(How)、ホモキラリティーが生まれなければならなかった解を求める必要があるであろう(Why)。しかも、これは、RNAやアミノ酸などの生体分子が、単にどちらか一方のホモキラル性を有しているという点だけでなく、本稿で「偶然」として逃げ道を作った、D型、L型の個別性・特異性をも含んだ部分についても、しっかりとした「必然」の理由を明らかにしなければならないであろう。この問題こそが、生命の本質に関わっている可能性があり、今後の課題になってくると思われる。しかし、地道に実験を行い、実証的に向き合うことで、活路は開けてくるであろう。生命の起源の問題は、生物科学だけの閉じた学問ではなく、地球科学や宇宙科学までも含めた、総合的な科学として、今後立ち向かっていく必要性を痛感する。

謝辞

   本稿には、The Scripps Research InstituteのPaul Schimmel博士との共同研究の成果が含まれており、Schimmel博士には有益な助言を賜った。また、科学技術振興機構・さきがけ(RNAと生体機能)、および、文部科学省・私立大学戦略的研究基盤形成支援事業による助成をいただいた。ここに感謝の意を表したい。

引用文献

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