目の水晶体(レンズ)形成におけるタンパク質合成制御の仕組みを発見

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2020-10-02 基礎生物学研究所,生命創成探究センター,理化学研究所

目の水晶体(レンズ)が形成される過程では、まずレンズ線維細胞が分裂して増殖します。その後増殖が停止し、細胞が圧縮されると共にレンズ特有のタンパク質であるクリスタリンなどが合成されることによって、透明なレンズ核が形成されます。このようなレンズの分化の際に一過的に増加するタンパク質合成(「翻訳」)制御因子として、RNG140 (caprin2) が知られています。RNG140を欠損したマウスでは、実際にレンズ核の形成不全が起こることが報告されています。しかし、RNG140がどのようにレンズ核形成に関与するのかは不明でした。

基礎生物学研究所/生命創成探究センターの中沢香織大学院生(総合研究大学院大学)、椎名伸之准教授らの研究グループは、理化学研究所開拓研究本部(七野悠一基礎科学特別研究員、岩崎信太郎主任研究員)の研究グループと共同で、RNG140が翻訳を抑制する仕組みを明らかにしました。レンズ分化の際にクリスタリンなどの翻訳が抑制されると分化に不具合が生じてしまいます。しかし、RNG140はそれらレンズ分化に関わる翻訳は抑制せずに、逆に細胞増殖の促進に関わる翻訳を抑制するという巧妙な選択性を持つことがわかりました。この仕組みにより、RNG140はレンズ線維細胞の増殖を低下させて分化に向かわせるスイッチの役割を担っていると考えられました。

これらの成果は、2020年10月23日に米国の学術誌Journal of Biological Chemistry誌に掲載される予定で、掲載に先立ってオンライン公開されました。

fig1.jpg図1:目のレンズ分化におけるRNG140による選択的なタンパク質合成(翻訳)の抑制

【研究の成果】

RNG140は翻訳開始因子eIF3の活性を抑制する

培養細胞(卵巣由来CHO細胞やレンズ由来SRA 01/04細胞)にRNG140を過剰に発現すると、伝令RNAに結合していないリボソームが増加し、全体的な翻訳が低下しました。これらの細胞ではRNG140は翻訳開始因子eIF3と結合していることが質量分析の結果からわかりました。そこでeIF3依存的及び非依存的翻訳のレポーター解析を行い、その結果、RNG140はeIF3の活性を抑制することで翻訳を抑制することが明らかになりました(図2)。

fig2.jpg図2:RNG140はeIF3に結合し、eIF3の活性を抑制することで翻訳を抑制する

RNG140は細胞増殖に関与する長い伝令RNAの翻訳を抑制する

培養細胞に過剰発現したRNG140がどの伝令RNAの翻訳を抑制するのかを、リボソームプロファイリング法により網羅的に解析しました。その結果、長い伝令RNAの翻訳が抑制され、他方、短い伝令RNAの翻訳は相対的に上昇する傾向にあることがわかりました。さらに翻訳抑制された長い伝令RNAは細胞増殖の促進に関連するものを多く含んでおり、実際にRNG140過剰発現細胞では細胞増殖の速度が低下しました。

レンズの分化に関連する短い伝令RNAはRNG140による翻訳抑制を回避する

マウスの目において、RNG140の欠損が翻訳に及ぼす影響を、リボソームプロファイリング法により網羅的に解析しました。その結果、培養細胞におけるRNG140過剰発現とは逆相関する結果が得られました。すなわち、細胞増殖を促進する長い伝令RNAの翻訳は、RNG140による抑制が解除されて上昇し、他方、短い伝令RNAの翻訳は相対的に低下しました。レンズの分化に関与するクリスタリンなどの伝令RNAは総じて短く、実際にそれらの翻訳はRNG140の欠損によって相対的に低下しました。このような細胞増殖促進に関わる翻訳の上昇及びレンズ分化に関わる翻訳の相対的低下が、RNG140欠損マウスにおけるレンズ核の形成不全を引き起こしたと考えられます。

以上の結果から、通常の野生型マウスのレンズ線維細胞では、RNG140の一過的増加によって細胞増殖に関与する長い伝令RNAの翻訳が抑制され、他方、レンズ分化に関与する短い伝令RNAはその抑制を回避することで、細胞増殖の停止とレンズ核への分化が促進されていると考えられました(図1)。

【今後の展望】

本研究は、RNG140が関与する翻訳制御機構が、細胞増殖と分化を切り替えるスイッチとして働き、その際に伝令RNAの長さを区別し制御するというモデルを提示しました。この長さの区別を担うのがRNG140なのかeIF3などの他の因子なのかを明らかにすることは、今後の課題として残されています。長いRNAが、タンパク質の三次元構造をとらないディスオーダー領域(IDR)や液-液相分離によって形成される液滴と相互作用しやすいという可能性は興味深く、RNG140やeIF3のIDRがその相互作用に関わる可能性が検討課題として挙げられます。また、伝令RNAの長さを区別し制御するという制御機構が、レンズに限らず様々な細胞の分化や運命決定にも共通するかどうか、今後の研究展開が期待されます。

加齢や白内障に伴いレンズ核は過剰に圧縮されます。RNG140の欠損によりレンズ核の圧縮は減少することから、RNG140およびRNG140によって翻訳が調節されるタンパク質を標的にすることによって、眼機能障害を改善する手立てにつながるかもしれません。

【発表雑誌】

雑誌名: Journal of Biological Chemistry
掲載日: 2020年10月23日 (2020年8月23日オンライン先行掲載)
論文タイトル: Implications of RNG140 (caprin2)-mediated translational regulation in eye lens differentiation
著者: Kaori Nakazawa, Yuichi Shichino, Shintaro Iwasaki, and Nobuyuki Shiina
DOI: https://doi.org/10.1074/jbc.RA120.012715

【研究グループ】

本研究は、基礎生物学研究所/生命創成探究センター/総合研究大学院大学の中沢香織大学院生、椎名伸之准教授を中心として、理化学研究所開拓研究本部の七野悠一基礎科学特別研究員、岩崎信太郎主任研究員との共同研究として実施されました。

【研究サポート】

本研究は、武田科学振興財団生命科学研究助成、科学研究費助成事業(19H03161)の支援を受けて行われました。

【本研究に関するお問い合わせ先】

基礎生物学研究所 神経細胞生物学研究室
生命創成探究センター 神経分子動態生物学研究グループ
准教授 椎名 伸之(シイナ ノブユキ)

【報道担当】
基礎生物学研究所 広報室
生命創成探究センター 広報担当
理化学研究所 広報室 報道担当

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