京大、化学修飾されたメッセンジャーRNAが概日リズムの周期を決定していたことを解明

エピトランスクリプトームの生理学的意義の解明−リズム形成にはメチル化RNAが主役−



　岡村均　薬学研究科教授、Jean−Michel　Fustin　同特定研究員を中心としたグループは、哺乳類において、化学修飾されたメッセンジャーRNAが概日リズムの周期を決定していたことを解明しました。従来、遺伝子情報の発現では、DNAの転写または、タンパク質の化学修飾（リン酸化、アセチル化、メチル化、ユビキチン化など）が最重要であると考えられてきました。すなわち、RNAはDNAとタンパク質を結ぶ仲介役に過ぎないと思われてきたのです。しかし、今回の化学修飾されたRNA　Methyl−６−adenosine（m6A（＊））が２４時間という長周期のリズム形成の主役であるという発見で、RNAが遺伝子発現の主役の一つだということが判明しました。今回の発見はエピトランスクリプトーム（epitranscriptome）の生理的意味を初めて解明した研究で、生体リズム研究を超えて、肥満や発癌のメカニズムの解明に大きな突破口を開くものと期待されます。

　＊「m6A」の正式表記は、添付の関連資料を参照


　本研究成果が、「Cell」誌（２０１３年１１月８日　日本時間）に掲載されました。


＜背景＞
　化学修飾は物質の性質を根本的に変え、多くの生物で、これを利用して多様な生命現象が営まれています。リン酸化、アセチル化、メチル化、ユビキチン化などがその主なものです。このうち、アセチル化は、主にタンパク質の性質を変化させる重要な反応で、多くの生理機能が知られていますが、核酸では用いられません。メチル化は広く、核酸、タンパク質、特にヒストンタンパク質で認められます。DNAのメチル化は、DNA中によく見られるCpGアイランドという配列の部分などで炭素原子にメチル基が付加する化学反応で、シトシンのピリミジン環の５位炭素原子へのメチル基の付加反応です。DNAメチル化は、不活性化されたクロマチン（サイレントクロマチン）を形成させる基本的には不可逆的な反応です。DNAメチル化の仕事が早く進んだのは、脱アミノ化のバイサルファイト法など、DNA修飾されたものを検出する手法が開発されたからですが、RNAに関してはそのような方法が開発されていなかったので、長らく研究が進みませんでした。

　化学修飾をされたRNAがたくさんあると言うことは、４０年ほど前から言われていました。アデニンのプリン環の６位窒素原子へのメチル基の付加反応m6Aが初めて報告されたのは、１９７４年の肝癌細胞での研究です。ところが、検出法が煩雑なことと、RNAの寿命は非常に短いため、長い間ほとんど検索されてきませんでした。昨年、m6Aに対する抗体が開発され、それに次世代シークエンサーを組み合わせることで、m6Aが、数千もの機能遺伝子に存在すること、RNAの３"端近辺に多いことが報告されました（Meyer　et　al．Cell　２０１２；Dominissini　et　al．Nature　２０１２）。しかし、その生理作用はまったく分からないままでした。

　今回、本研究グループは、体内時計の系でm6Aの機能を検討し、RNAのメチル化の状態で２４時間という長周期が決められることを明らかにしました。すなわち、数ある生理現象や病態の中で、時計遺伝子のフィードバックループでリズムが生まれる体内時計において、はじめてエピトランスクリプトーム（epitranscriptome）の生理的意味が明らかとなったのです。


＜研究手法・成果＞
　約２４時間周期の体内時計（Biological　Clock）は、地球の自転に対応した、生命にとってもっとも根源的な「時間」の仕組みであり、細胞の代謝、分裂増殖、老化と密に関係し、生体を活動期と非活動期（睡眠）という劇的な変動の中での恒常性システムの維持を日夜遂行しています。体内時計が注目されるもう一つの理由は、それがすべて時計遺伝子の転写・翻訳を介したフィードバック機構によって生み出されることです。リズム自身はこの転写ループで生み出されますが、なぜそれが２４時間という周期なのかは分かっていませんでした。今回研究グループは、mRNAのメチル化という反応が体内時計の周期の長さを決定していることを明らかにしました。この発見はメチル化阻害剤であるデアザアデノシン（DAA）の投与実験に始まります。DAAは、細胞でも、培養下でも、マウスの行動の個体レベルでも、体内時計の周期を大幅に延長させました（図１）。


　※図１は、添付の関連資料を参照


　よく知られたDNAや、ヒストンや非ヒストンタンパク質のメチル化の阻害はリズムの延長を誘導しないことから、RNAのメチル化が関与すると考えました。そこで申請者は今までまったくその生理機能が明らかでなかったmRNAのアデノシンN６位のメチル化（m6A）に注目し、この特異抗体を用いてRNA−Seq解析を行ったところ、時計遺伝子であるPer１、Per２、Bmal１のmRNAが高度にm6A化されていることがわかりました。さらに、m6Aメチル化酵素であるMettl３の発現をノックダウンさせると、このメチル化が大きく抑制され、その結果リズムが延長したのです。逆に、Mettl３を過剰発現させると、リズム周期は短縮しました。この結果は、時間生物学の分野にとっては、最近のゲノムワイドな大規模RNA−Seq解析によって提唱された転写後レベルのRNA制御によるリズム発生仮説（Koike，Science　２０１２）にも合致し、その具体的な分子機序を初めて明らかにしたものです。体内時計がなぜ２４時間という周期を取るのかRNAレベルの制御が鍵だったのです（図２）。


　※図２は、添付の関連資料を参照


＜研究の意義＞
　今回の発見は、生体リズムの観点からだけでなく、RNAに関する見方を根本的に変えたものとして意味があります。今までの考えでは、RNAはDNAの遺伝情報を忠実に運ぶ運び屋に過ぎないと考えられてきたのです。RNAは糖（リボース）と塩基がリン酸を介して繋がった紐状のものですが、今回の研究は、RNAが転写された後、RNA塩基の一つであるアデニンの窒素に新たな化学修飾（メチル化）が負荷され、これにより新たな機能が生まれることを初めて明らかにした研究です。

　RNAの核酸塩基が、A、U、G、Cの４塩基であることはどの高校教科書にも書いてあります。昨年の「Cell」と「Nature」に掲載された論文によると、塩基の一つであるアデニンが多くの部位でメチル化修飾を受けることが明らかになりました。すなわち、m6Aは２０％ものヒト遺伝子に存在し、５０００個以上のmRNA分子がm6A化されていることが、昨年ようやくわかったのです。しかし、その機能は今まで全く分っていません。

　今回本研究グループは、時計遺伝子が転写レベルでリズムを形成する体内時計でのm6Aの機能を検討し、RNAのメチル化の状態で２４時間という長周期が決められることを明らかにしました。すなわち、数ある生理現象や病態の中で、時計遺伝子のフィードバック制御でリズムが生まれる体内時計において、はじめてRNA修飾の生理的意味が明らかとなったのです。

　このm6Aの機能解明は、RNA修飾を探求するエピトランスクリプトーム（epitranscriptome）の生理学的な意味を初めて明らかにしたもので、この分野の開始を告げる画期的な研究と言えます。RNA修飾は動的に制御されており、肥満、発癌などに関与する遺伝子にも多く見られます。今後は、今回チームを組んだ、次世代シークエンサー研究の眞鍋一郎　東京大学循環器内科講師、質量分析研究の掛谷秀明　薬学研究科教授のグループとともに、エピトランスクリプトームを用いた生活習慣病の原因解明と治療法の開発に取り組みたいと思います。


　本研究は、主として文部科学省科学研究費補助金　特別推進研究、基盤研究（A）、新学術領域「脳内環境」によって行われました。


＜書誌情報＞
　［DOI］http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2013.10.026

　Jean−Michel　Fustin，Masao　Doi，Yoshiaki　Yamaguchi，Hayashi　Hida，Shinichi　Nishimura，Minoru　Yoshida，Takayuki　Isagawa，Masaki　Suimye　Morioka，Hideaki　Kakeya，Ichiro　Manabe，Hitoshi　Okamura
　"RNA−Methylation−Dependent　RNA　Processing　Controls　the　Speed　of　the　Circadian　Clock"
　Cell　Vol．１５５，Issue　４，pp．７９３−８０６　７　November　２０１３