理化学研究所（理研）開拓研究所 岩崎RNAシステム生化学研究室の岩崎 信太郎 主任研究員、脇川 大誠 特別研究員、木村 悠介 大学院生リサーチ・アソシエイト（研究当時）、水戸 麻理 テクニカルスタッフⅠ、斉藤 大寛 大学院生リサーチ・アソシエイト（研究当時）、七野 悠一 上級研究員（研究当時、現 客員研究員、筑波大学 医学医療系 教授）らの国際共同研究グループは、細胞が重力を感知して、ミトコンドリアでタンパク質を合成するミトコンドリア内翻訳^[1]を活性化させるメカニズムを宇宙空間における実験を通じて発見しました。

本研究成果は、長期的な宇宙滞在中における老化現象だけでなく、一般的な加齢を抑制する薬剤・手法開発に貢献すると期待されます。

今回、国際共同研究グループは、国際宇宙ステーション（ISS）の日本実験棟「きぼう」において微小重力下で細胞を培養し、細胞内でアミノ酸を結合してタンパク質を合成する過程である「翻訳^[2]」を網羅解析したところ、ミトコンドリア内翻訳が極端に減少することを発見しました。これを発端に、重力という外的情報を細胞内に伝えるシグナル伝達経路を同定しました。また、この経路は生理学的には運動などの機械的ストレスに依存してミトコンドリア内翻訳を制御する経路であることを明らかにしました。

本研究は、科学雑誌『Nature Communications』オンライン版（6月30日付：日本時間6月30日）に掲載されました。

背景

生命が地球の重力下で適応してきた過程で、細胞は常に重力にさらされ、それを前提に進化してきました。しかしながら、重力が細胞の基礎的な機能、とりわけタンパク質の合成過程である「翻訳」にどのように影響するかはよく分かっていませんでした。現在、人類は地球外にその生存領域を拡張しようとしていることを考えると、重力がほぼ消失する宇宙環境での細胞応答の理解は基礎科学と宇宙医学の両面で重要です。

そこで国際共同研究グループは宇宙航空研究開発機構（JAXA）の協力の下、国際宇宙ステーション（ISS）のきぼう実験棟を利用し、微小重力下で細胞を培養し、翻訳の網羅解析に挑みました^注）。ISSでの細胞培養実験は野口聡一宇宙飛行士が実施しました。

• 注1）JAXA有人宇宙技術部門ウェブサイト「微小重力下における翻訳制御の網羅的解析」

研究手法と成果

翻訳の網羅解析のためにリボソームプロファイリング法^[3]を用いました。この手法ではリボソームフットプリントと呼ばれる短いRNA断片を生成・回収し、次世代シーケンサーでその配列を読み解くことで、メッセンジャーRNA（mRNA）^[4]上の「どこに」、「どのくらい」リボソーム^[5]が存在しているのかといった情報を網羅的に得ることができます。

ISS「きぼう」内の細胞培養措置を用い、ヒト培養細胞を微小重力環境で培養しました。比較として、遠心機によりつくられた1重力加速度（g）の環境下で細胞を培養しました（図1A）。それぞれの条件でサンプリングした後、地球に帰還させ、リボソームプロファイリング実験を行いました（図1B）。リボソームプロファイリング実験はバイアスがなく網羅的かつ定量的に翻訳の変化を捉えることのできる技術です。その解析の結果、微小重力環境において、一部の細胞質mRNAで翻訳の減少が生じること、さらにミトコンドリア内翻訳が顕著に減少することを見いだしました（図1C）。

ミトコンドリアは、細胞内の代謝におけるエネルギーのやりとりを仲立ちするアデノシン三リン酸（ATP）の主要な供給源であり、いわば細胞内のエネルギー工場です。ミトコンドリアは、進化的には細菌に端を発するために独自のゲノムDNA（ミトコンドリアDNA）を持っており、このミトコンドリアDNAにはATP産生に必要な13種のタンパク質の配列情報が記されています。従って、このエネルギー工場内で営まれる翻訳は、エネルギー産生に必須な重要な反応であり、その異常はミトコンドリア病などの疾患につながります。ミトコンドリア内翻訳は、ミトコンドリアDNAから写し取られたmRNAを専用のリボソーム（ミトコンドリアリボソーム）によって読み解くことで行われます。それ故、この翻訳の仕組みは細胞質での翻訳と全く異なります。リボソームプロファイリングでは、細胞質翻訳とミトコンドリア内翻訳を同時に解析できます（図1B）。

この結果が、個体でも再現されるか、また種を超えて起きる現象であるかを理解するために、ISSにおいて微小重力化で培養した線虫（Caenorhabditis elegans）を用いて、再度リボソームプロファイリングを行いました。やはりこの条件でも、ミトコンドリア内翻訳の減少が観察されました。

微小重力によるミトコンドリア内翻訳異常のメカニズムをより詳細に理解するために、地上での再現実験を行いました。国際共同研究グループは3D-クリノスタット^[6]を用いました。この装置は3次元的に培養容器を回転させることにより、サンプルにかかる平均加速度を0に近づけることができます（図2A）。この疑似微小重力条件でリボソームプロファイリングを実施した結果、この条件でもミトコンドリア内翻訳の減少が観察されました（図2B）。

微小重力によるミトコンドリア内翻訳の減少の分子メカニズムを理解するために、国際共同研究グループは細胞接着^[7]に着目しました。過去の宇宙実験によって、微小重力に置いた細胞では細胞接着の強度が弱まるという知見から、これが何らかの理由でミトコンドリア内翻訳の減少につながっていると仮説を立てました。まずミトコンドリア内翻訳が細胞接着に依存するよるものかどうかをmito-FUNCAT法^[8]を使って検証したところ、細胞外マトリックス（細胞外基質）の基底膜分子であるラミニンの増加とともにミトコンドリア内翻訳が増加することが明らかになりました（図2C）。実際にラミニンを増加した条件で、疑似微小重力における翻訳をリボソームプロファイリング法で解析すると、疑似微小重力の影響と拮抗（きっこう）し、ミトコンドリア内翻訳の減少を軽減することが分かりました（図2D）。つまり、微小重力によるミトコンドリア翻訳の減少は細胞接着が弱まったことによるものであることが明らかになりました。

細胞接着からミトコンドリア内翻訳に至るシグナル伝達の経路を理解するために、まずラミニンーインテグリン^[9]の経路に注目しました。インテグリンはラミニンに結合する細胞膜タンパク質であり、細胞質側ではFAKというリン酸化酵素と結合しています。FAK遺伝子のノックダウン実験によりFAKがラミニン依存的なミトコンドリア内翻訳活性化に重要な役割を果たしていることを明らかにしました。FAKは多様な因子のリン酸化を介して、情報を伝えます。どの下流因子・経路がミトコンドリア内翻訳に情報を伝えているかを明らかにするために、小規模のケミカルスクリーニング（阻害剤実験）を実施しました。その結果、FAKの下流のPAK1、PAK1下流のRAC1、RAC1下流のBAD、BAD下流のBcl2 family タンパク質が、FAKからミトコンドリア内翻訳に情報を伝える担い手であることを見いだしました（図3A）。

上記のBcl2 familyタンパク質はミトコンドリア外膜上に存在します。その一方で、ミトコンドリア内翻訳はミトコンドリアの内部であるマトリックス（内膜に囲われた部分）で起こるため、さらにミトコンドリア内部でどのようなメカニズムが作用しているか調べました。その結果、ミトコンドリア内部のメカニズムでは脂肪酸合成^[10]経路が重要な役割を果たしていることを突き止めました。ミトコンドリア内部で起こる脂肪酸合成では、マロニルCoA（マロニルコエンザイムA）^[10]を基質にしますが、脂肪酸合成が弱まるとマロニルCoAが蓄積します。このような場合、高濃度になったマロニルCoAが酵素非依存的にタンパク質のリシン残基に結合するマロニル化が進むことが知られています。

国際共同研究グループは、細胞接着により、この脂肪酸合成が進んでいることを明らかにしました。一方、細胞接着が減弱すると、ミトコンドリア翻訳マシナリー（機構）のマロニル化が生じていること、さらにそれによってミトコンドリア翻訳が抑制されることを示しました（図3B）。

通常、細胞は微小重力にさらされることは極めてまれであり、上記の反応は微小重力への応答機構として生命に備わっているというよりも、別の意義があるだろうと国際共同研究グループは考えました。特にラミニンーインテグリンによる細胞接着の経路は運動などの機械的ストレスによって活性化することが知られていることから、運動によって、この経路のミトコンドリア内翻訳増強システムが、細胞に備わっているのではないかと仮説を立てました。マウスにおいて、機械的ストレスが最小化されたマウス骨格筋モデルを用いてリボソームプロファイリングを行うと、ミトコンドリア内翻訳の減少が観察されました（図4）。

今後の期待

本研究は、重力および機械的ストレスという物理的刺激が、細胞外環境からミトコンドリアの翻訳制御へと伝達される分子メカニズムを解明しました。この成果は、「無重力では、ヒトの体に一体どういうことが起こるのか」という根源的な問いに一定の答えを与えてくれます。また、長期的な宇宙滞在を可能にするにはミトコンドリア内翻訳異常に端を発するミトコンドリアダメージを克服する必要がある、という重要な命題をわれわれに与えてくれます。これらを通じ宇宙生物学／宇宙医学における重力欠損環境下でのミトコンドリアによるエネルギー代謝の理解が進むことが今後期待されます。さらには宇宙環境に限らず、本研究の成果は通常生活における老化や筋萎縮、機械的ストレスに関連する疾病の病態解明に直結するものになります。また、ミトコンドリア翻訳を標的とした創薬研究にもつながる成果といえます。

補足説明

• 1.ミトコンドリア内翻訳
  ミトコンドリアDNAから写し取られたメッセンジャーRNA（mRNA）（[4]参照）からタンパク質を合成する過程。ミトコンドリア内で、専用のリボソーム（[5]参照）によって行われる。
• 2.翻訳
  mRNAに記された塩基配列をアミノ酸配列へ変換し、リボソームでアミノ酸を結合してタンパク質を合成する過程。
• 3.リボソームプロファイリング法
  翻訳装置であるリボソームを抽出し、リボソームと結合しているmRNA配列を同定することで、どの遺伝子がどの程度の効率で翻訳されているかを解析する手法。リボソームは大きな複合体であり、一定のmRNA領域を覆うように結合するため、これらのリボソームとmRNAの複合体をRNA分解酵素で処理すると、リボソームが保護するmRNA断片だけが分解されずに回収される。
• 4.メッセンジャーRNA（mRNA）
  タンパク質のアミノ酸配列情報（コドン）を持つRNA。リボソームによってコドンが読み取られることでタンパク質が合成される。
• 5.リボソーム
  リボソームRNA（rRNA）とリボソームタンパク質で構成される巨大複合体。
• 6.3D-クリノスタット
  試料を3次元的に連続回転させることで重力方向を平均化し、微小重力（無重力に近い環境）を地上で模擬する装置。主に植物や細胞などの重力応答を研究するために用いられる。
• 7.細胞接着
  細胞同士または細胞と細胞外基質が特定の接着分子を介して結びつく現象。これにより組織構造の維持や細胞の移動・シグナル伝達が調節される。
• 8.mito-FUNCAT法
  メチオニン誘導体であるhomopropagyl-glycineにより新規合成タンパク質を標識し、クリック反応および蛍光色素を使って検出する手法。細胞質翻訳を阻害剤で抑制することにより、ミトコンドリア内翻訳だけを取り出して検出することができる。
• 9.インテグリン
  細胞膜に存在する受容体タンパク質で、細胞と細胞外基質を結びつける役割を持つ。細胞接着だけでなく、外部からのシグナルを細胞内に伝えることで細胞の形態や運動、増殖を調節する。
• 10.脂肪酸合成、マロニルCoA（マロニルコエンザイムA）
  脂肪酸合成は、アセチルCoA（アセチルコエンザイムA）を出発点にして炭素鎖を延長しながら脂肪酸をつくる代謝経路で、主に細胞質で進行する。マロニルCoAはその過程で使われる2炭素供与体で、脂肪酸の鎖を1回の反応ごとに2炭素ずつ伸ばす役割を持つ。

国際共同研究グループ

理化学研究所 開拓研究所 岩崎RNAシステム生化学研究室
主任研究員 岩崎 信太郎（イワサキ・シンタロウ）
特別研究員 脇川 大誠（ワキガワ・タイセイ）
大学院生リサーチ・アソシエイト（研究当時）木村 悠介（キムラ・ユウスケ）
テクニカルスタッフⅠ 水戸 麻理（ミト・マリ）
大学院生リサーチ・アソシエイト（研究当時）斉藤 大寛（サイトウ・ヒロノリ）
上級研究員（研究当時）七野 悠一（シチノ・ユウイチ）
（現 客員研究員、現 筑波大学 医学医療系 教授）

東京大学
工学部化学生命工学科／大学院工学系研究科
准教授 平林 祐介（ヒラバヤシ・ユウスケ）
博士研究員（研究当時）中村 航規（ナカムラ・コウキ）
大学院医学系研究科・医学部
准教授 齋藤 琢（サイトウ・タク）
学振特別研究員（研究当時）椿 俊哉（ツバキ・トシヤ）
大学院新領域創成科学研究科
准教授 富田 野乃（トミタ・ノノ）
特任助教 李 茂訓（イ・ムフン）

東北大学 大学院生命科学研究科
教授 東谷 篤志（ヒガシタニ・アツシ）

清華大学 深圳国際大学院（中国）
准教授 坪井 達久（ツボイ・タツヒサ）
研究員 アブドゥル・ハシーブ・カーン（Abdul Haseeb Khan）

一般財団法人日本宇宙フォーラム 宇宙利用事業部
部長事務代理（研究当時）山盛 徹（ヤマモリ・トオル）

宇宙航空研究開発機構（JAXA）
主任研究開発員 山﨑 誠和（ヤマザキ・トモカズ）
技術領域主幹 東端 晃（ヒガシバタ・アキラ）

研究支援

本研究は、RIKEN Pioneering Projects「Biology of Intracellular Environments（研究分担者：岩崎信太郎、七野悠一）」、RIKEN TRIP initiative（AGIS*・細胞応答モデル開発）（参画研究者：岩崎信太郎）、日本学術振興会（JSPS）科学研究費助成事業挑戦的研究（萌芽）「重力による翻訳制御の網羅的解析（研究代表者：岩崎信太郎）」、同基盤研究（B）「ミトコンドリア特異的リボソームプロファイリング法によるオルガネラ翻訳網羅解析（研究代表者：岩崎信太郎）」、同基盤研究（A）「細胞内構造を支えるヘテロポリマー間相互作用の網羅的解析（研究分担者：岩崎信太郎）」、同学術変革領域研究（B）「新規Disome-Seq法：パラメトリックなリボソーム渋滞の網羅的探索（研究代表者：岩崎信太郎）」、同学術変革領域研究（A）「時間タンパク質学：翻訳速度の大規模並列網羅解析（研究代表者：岩崎信太郎）」「APEX-Ribo-Seq：近傍標識による非典型局所翻訳の網羅解析（研究代表者：七野悠一）」「非典型局所翻訳を包括的に解明するAPEX-Ribo-Seq法の確立（研究代表者：七野悠一）」、同特別研究員奨励費「細胞接着によるミトコンドリア翻訳制御の分子メカニズムの解明（研究代表者：脇川大誠）」「1細胞リボソームプロファイリング法の開発と動物組織への応用（研究代表者：木村悠介）」、科学技術振興機構（JST）戦略的創造研究推進事業CREST「局所翻訳・RNA動態のための革新的技術創出（研究代表者：岩崎信太郎）」、東京大学大学院新領域創成科学研究科挑戦的新領域博士研究助成制度「細胞接着によるミトコンドリア翻訳活性化機構の解明（研究代表者：脇川大誠）」「ミトコンドリアribosomeの衝突を解消する品質管理機構の解明（研究代表者：脇川大誠）」による助成を受けて行われました。

* AGIS：Advanced General Intelligence for Science Program（科学研究基盤モデル開発プログラム）

原論文情報

• Taisei Wakigawa, Yusuke Kimura, Mari Mito, Toshiya Tsubaki, Muhoon Lee, Koki Nakamura, Abdul Haseeb Khan, Hironori Saito, Tohru Yamamori, Tomokazu Yamazaki, Akira Higashibata, Tatsuhisa Tsuboi, Yusuke Hirabayashi, Nono Takeuchi-Tomita, Taku Saito, Atsushi Higashitani, Yuichi Shichino, and Shintaro Iwasaki, "Gravitational and mechanical forces shape mitochondrial translation", Nature Communications, 10.1038/s41467-026-74493-z

発表者

理化学研究所
開拓研究所 岩崎RNAシステム生化学研究室
主任研究員 岩崎 信太郎（イワサキ・シンタロウ）
特別研究員 脇川 大誠（ワキガワ・タイセイ）
大学院生リサーチ・アソシエイト（研究当時）木村 悠介（キムラ・ユウスケ）
テクニカルスタッフⅠ 水戸 麻理（ミト・マリ）
大学院生リサーチ・アソシエイト（研究当時）斉藤 大寛（サイトウ・ヒロノリ）
上級研究員（研究当時）七野 悠一（シチノ・ユウイチ）
（現 客員研究員、現 筑波大学 医学医療系 教授）

発表者のコメント

「生命が重力をどのように利用しているのか？」、そんな素朴な疑問に向き合った論文です。まだ見ぬ宇宙を探索するために、私たちの発見が人類の宇宙進出という夢の実現に少しでも貢献できれば、これ以上の喜びはありません。（脇川大誠）

報道担当

理化学研究所 広報部 報道担当
お問い合わせフォーム

筑波大学 広報局
Tel: 029-853-2040
Email: kohositu@un.tsukuba.ac.jp

産業利用に関するお問い合わせ

お問い合わせフォーム