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、水戸 麻理 テクニカルスタッフⅠ、眞貝細胞記憶研究室の眞貝 洋一 主任研究員、チー・ファン 国際プログラム・アソシエイト（研究当時）、東京大学 大学院理学系研究科 生物科学専攻の伊藤 弓弦 准教授は、ミトコンドリア^[1]内で行われるタンパク質合成（翻訳^[2]）の「終わり方」を制御する一連の分子メカニズムを明らかにしました。翻訳終結^[3]に伴うリボソーム再利用メカニズムのおかげで次の翻訳が問題なく再開できる、まさに「終わり良ければ全て良し」の仕組みであることが分かりました。

本研究成果は、ヒトのエネルギー代謝を担うミトコンドリアの仕組みの理解や、ミトコンドリア翻訳^[4]異常に関わるさまざまな疾患の理解に貢献するものと期待されます。

ミトコンドリアでは独自の遺伝コードに基づいて13種類のタンパク質が合成されます。その合成の終わり方、すなわち翻訳終結、リサイクリング^[5]、再開始^[6]、品質管理^[7]を担う分子メカニズムには、多くの謎が残されていました。

今回、共同研究グループは、独自に開発したミトコンドリア翻訳特化型の網羅的解析手法「MitoIP-Thor-Ribo-Seq法／MitoIP-Thor-Disome-Seq法^[8]」を駆使して、ミトコンドリア翻訳の終わり方を支える分子メカニズムの全貌を1コドン（塩基3個の配列）分解能で明らかにしました。

本研究は、科学雑誌『Nature Communication』オンライン版（7月21日付：日本時間7月21日）に掲載されました。

背景

DNAに記された遺伝情報は、メッセンジャーRNA（mRNA）^[9]を経由してタンパク質に変換されます。mRNAからタンパク質を合成する過程は「翻訳」と呼ばれ、リボソーム^[10]がmRNA上を進みながら、コドン（塩基3個の配列）を一つずつ読み取ってアミノ酸をつなげていきます。翻訳には大きく分けて「開始」「伸長」「終結」「リサイクリング」という四つの段階があり、最終段階の「終結」とその後の「リサイクリング」は、合成されたタンパク質を放出し、リボソームを次の翻訳に備えて分解・再利用するために必須の過程です。

このような仕組みは細菌を含む全ての生物で共通しています。ヒトの細胞では、独立した翻訳のシステムが二つ共存しており、細胞質で行われる翻訳（細胞質翻訳）とミトコンドリアと呼ばれる小器官の内部で行われる翻訳（ミトコンドリア翻訳）が存在します。ミトコンドリアは細胞のエネルギー源であるアデノシン三リン酸（ATP）の主要な供給源であり、ミトコンドリアDNA^[11]にはATP産生に必要な13種のタンパク質の情報が記されています。ミトコンドリア翻訳は細胞質翻訳とは異なる独自の特徴を数多く備えています。

特にミトコンドリア翻訳の「終結」には、興味深い謎が残されていました。細胞質翻訳や細菌系翻訳では、リボソームがmRNA上の終止コドン（UAA、UAG、UGAのいずれか：U（ウラシル）、A（アデニン）、G（グアニン））に到達すると、「終結因子」と呼ばれるタンパク質が終止コドンを認識して合成されたタンパク質を放出します。ヒトのミトコンドリアのゲノムには、タンパク質をコードする領域であるORF（オープンリーディングフレーム）^[12]、13種のうち二つ（MT-CO1とMT-ND6）が、特殊な終止コドン（それぞれAGA、AGG）で終わっています。これらの非標準的な終止コドンが翻訳終結をするのかという点が謎に包まれていました。特に、特殊な終止コドンを認識する可能性がある終結因子としてmtRF1LとmtRF1の二つがあり、それぞれ特殊な終止コドンの終結を担うのか、標準的な終止コドンの終結を担うのか、という点が問題になっています。これまで、相反する複数の報告があり、長年論争が続いていました（図1）。

さらに、翻訳が終結した後にリボソームを大小サブユニットに解離させる「リサイクリング」、ポリシストロニックmRNA^[13]上で連続する複数のORFを翻訳するための「再開始」、そしてmRNA上の途中で立ち往生してしまったリボソームを助ける「品質管理」といった、翻訳の終わり方を担う一連のプロセスも、詳細なメカニズムは明らかになっていませんでした。これは、ミトコンドリア翻訳が細胞質翻訳と比べて圧倒的に量が少なく、その動態を高解像度に解析することが技術的に難しかったためです。

そこで共同研究グループは、独自に開発したミトコンドリア翻訳特化型の解析手法を駆使して、ミトコンドリア翻訳の終わり方を統括する分子メカニズムの全貌解明に挑みました。

研究手法と成果

共同研究グループは、これまでに開発したミトコンドリア翻訳解析手法「MitoIP-Thor-Ribo-Seq法」と、衝突した二つのリボソーム（ダイソーム^[14]）を捉える「MitoIP-Thor-Disome-Seq法」を組み合わせ、7種類のタンパク質（mtRF1L、mtRF1、mtRRF、mtIF3、ICT1、mtRF-R、mtRES1）欠損細胞株を網羅的に解析しました。これにより、ミトコンドリア翻訳の終わり方に関わる分子の役割を、1コドン分解能で詳細に追跡することが可能となりました。

まず、終結因子の終止コドン特異性を解析した結果、mtRF1Lを欠損させた細胞では標準的な終止コドン（UAA、UAG）上だけでなく、非標準的な終止コドン（AGA、AGG）の上にもミトコンドリアリボソーム（ミトコンドリア内でタンパク質を合成する分子装置）が顕著に停滞することが分かりました（図2A）。すなわち、mtRF1Lは4種類全ての終止コドンを認識する「万能型」終結因子であることが判明しました。構造モデリングからも、mtRF1Lが非標準的な終止コドンと安定に水素結合を形成し得ることが裏付けられました。

一方、mtRF1を欠損させた細胞では、非標準的な終止コドン（AGA、AGG）の上のみでミトコンドリアリボソームが停滞し、標準的な終止コドンには影響がありませんでした（図2B）。すなわち、mtRF1は非標準的な終止コドンに特化した終結因子であり、AGAおよびAGGはmtRF1とmtRF1Lのいずれにも認識されることが明らかになりました（図2C）。

さらに、共同研究グループはマウスのミトコンドリアにmtRF1についても研究を展開しました。約40％の脊椎動物がmtRF1を保持しているにもかかわらず、マウスなどの一部の生物はAGAまたはAGG（AGA/AGG）で終わるORFを持っていません（図3A）。AGA/AGGの翻訳終結に特化したmtRF1を発現させる意義を明らかにすべく、MitoIP-Thor-Disome-Seq法を用いてマウス細胞のmtRF1欠損細胞を解析しました。その結果、ORFの途中の予期せぬ位置にミトコンドリアリボソームが衝突して停滞している事例が複数見つかりました（図3B）。詳細に調べると、これらの停滞位置は、ミトコンドリアリボソームが本来の読み枠（フレーム）からずれて「-1フレームシフト^[15]」を起こした結果として現れるAGA/AGG配列上にあることが分かりました（図3B）。すなわち、mtRF1は、ミトコンドリアリボソームが意図せず読み枠を外して「フレーム外」を翻訳してしまった際に、その翻訳を終結させるため、進化を通じて脊椎動物に保存されていることが明らかになりました（図3C）。

次に、共同研究グループはリサイクリングと再開始の仕組みを解析しました。下流ORF上の翻訳は、上流のORFの翻訳に使われたミトコンドリアリボソームをリサイクリングし再利用する過程、つまり翻訳再開始によって進む、という仮説がありましたが、その実証は全くされていませんでした。これを実証するためにはリサイクリング関連因子をなくした状況で実験をする必要があります。

リサイクリング因子mtRRF、または開始因子mtIF3を欠損させた細胞では、いずれも終止コドン上でミトコンドリアリボソームが大量に蓄積するだけでなく、ポリシストロニックmRNA上の下流のORF（MT-ATP6とMT-ND4）の翻訳量が顕著に低下することが分かりました。これは、ミトコンドリアでは「上流ORFを翻訳し終えたミトコンドリアリボソームが、リサイクリングを経て下流ORFの翻訳に再利用される」という、再利用に依存した翻訳の連鎖が存在することを示しています。mtRRFとmtIF3はこの再利用過程を支える必須の因子であり、下流ORFの翻訳を可能にする「再開始」の鍵を握っていることが明らかになりました（図4A）。

さらに共同研究グループは、停滞したミトコンドリアリボソームを助ける「救出因子」の機能にも迫りました。救出因子ICT1、mtRF-R、ならびにmtRF-Rのパートナー分子であるmtRES1を欠損させた細胞をそれぞれ解析した結果、いずれの欠損細胞でも、ORFの「開始コドン」の付近にミトコンドリアリボソームが顕著に蓄積するという、全く同じ表現型が観察されました。すなわち、ミトコンドリアにおける救出因子の主要な仕事は、これまで考えられていた翻訳終結付近ではなく、「翻訳開始直後」に立ち往生してしまったミトコンドリアリボソームを救い出すことであったのです（図4B）。これは、ミトコンドリアでは翻訳の最も初期の段階に重要な「品質管理のチェックポイント」が存在することを示す、新しい知見です。

今後の期待

本研究は、翻訳終結、リサイクリング、再開始、品質管理というミトコンドリア翻訳の終わり方を支える一連の分子メカニズムの全貌を、1コドン分解能で網羅的に明らかにした成果です。とりわけ、長年論争であった終結因子mtRF1LとmtRF1の役割分担、脊椎動物にmtRF1が広く保存されている進化的意義、ポリシストロニックmRNAの内部ORF翻訳を支える分子機構、そして翻訳開始直後を監視する品質管理機構という、四つの大きな問いに対して定量的な答えを与えました。これはミトコンドリア翻訳の基礎的な分子メカニズムに関する重要な知見となります。

ミトコンドリア翻訳の異常はミトコンドリア病^[16]や加齢に伴うエネルギー代謝の機能不全と深く関わっており、本研究で明らかになった翻訳終結、リサイクル、品質管理機構の全体像は、これらの疾患の理解を深めるものです。ミトコンドリア翻訳が織りなす複雑な動態と、その異常が引き起こす疾患の分子メカニズムの解明が大きく前進することが期待されます。

補足説明

• 1.ミトコンドリア
  真核細胞内に存在する小器官で、独自のDNAを持ち、代謝エネルギーの仲立ちをするアデノシン三リン酸（ATP）を産生する「エネルギー工場」。
• 2.翻訳
  メッセンジャーRNA（mRNA）（[9]参照）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（[10]参照）でアミノ酸を結合してタンパク質を合成する過程。
• 3.翻訳終結
  リボソームがmRNA上の終止コドンに到達した際に、終結因子の働きで、合成されたタンパク質（ペプチド鎖）が放出される反応。翻訳の最終段階。
• 4.ミトコンドリア翻訳
  ミトコンドリアDNA（[11]参照）から複製されたmRNAからタンパク質を合成する過程。ミトコンドリア内で、専用のミトコンドリアリボソームによって行われる。
• 5.リサイクリング
  翻訳終結後に、リボソームの大サブユニットと小サブユニットを解離させ、次の翻訳に再利用できる状態に戻す過程。
• 6.再開始
  1本のmRNAに複数のORF（オープンリーディングフレーム）（[12]参照）が連続して並んでいる場合に、上流ORFの翻訳を終えたリボソームが、下流ORFの開始コドンを認識し直して翻訳を再開する仕組み。ミトコンドリアではポリシストロニックmRNA（[13]参照）上で重要な役割を果たす。
• 7.品質管理
  mRNAの異常やコドンの読み取り困難などにより、翻訳の途中で立ち往生してしまったリボソームを解離させ、再利用可能にする品質を保つための機構。
• 8.MitoIP-Thor-Ribo-Seq法／MitoIP-Thor-Disome-Seq法
  ミトコンドリア免疫沈降法（MitoIP）とRNA増幅法（Thor）を組み合わせることでミトコンドリアリボソームの解析に特化したRibo-Seq法。網羅的かつ高精度にミトコンドリア翻訳を解析できる。Disome-Seq法は衝突した二つのリボソーム（ダイソーム、[14]参照）を選択的に解析する手法で、リボソームの停滞や衝突を高感度に検出できる。
• 9.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。
• 10.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。
• 11.ミトコンドリアDNA
  ミトコンドリア内部に存在する独自のDNA。ヒトのミトコンドリアDNAには13種類のタンパク質、22種類のトランスファーRNA（tRNA）、2種類のrRNAの情報が記されている。元々共生した細菌に由来する。
• 12.ORF（オープンリーディングフレーム）
  mRNA上で、翻訳開始コドン（AUG）から終止コドンまで、途中に終止コドンを挟まずに続く塩基配列のこと。一つのタンパク質をコードする領域に対応する。
• 13.ポリシストロニックmRNA
  1本のmRNA上に複数のORFが連続して並んでいるmRNAのこと。ヒトのミトコンドリアにもMT-ATP8／MT-ATP6、MT-ND4L／MT-ND4などのポリシストロニックmRNAが存在する。
• 14.ダイソーム
  mRNA上で二つのリボソームが衝突して連なった状態。リボソームが翻訳の途中で停滞すると、後続のリボソームが追突してダイソームが形成される。
• 15.フレームシフト
  リボソームがmRNAを3塩基ずつ正しく読み取るのではなく、1塩基または2塩基ずれて読み枠（フレーム）を変えてしまう現象。1塩基後ろにずれる場合を「-1フレームシフト」、1塩基前にずれる場合を「+1フレームシフト」と呼ぶ。
• 16.ミトコンドリア病
  ミトコンドリア機能異常に基づく多臓器疾患の総称。代表的な病例として、脳卒中様エピソード（MELAS）、ミオクロニーてんかん（MERRF）があり、ミトコンドリア翻訳異常が病因となることが多い。

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）」、RIKEN TRIP initiative（AGIS^注）・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）」、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）」、同研究活動スタート支援「ミトコンドリアリボソーム停滞が引き金となる新規mtUPR経路の解明（研究代表者：脇川大誠）」、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。

• 注）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, Mari Mito, Qi Fang, Yuzuru Itoh, Yoichi Shinkai, Shintaro Iwasaki, "Mitochondrial translation termination, recycling, reinitiation, and rescue for in-frame and out-of-frame contexts", Nature Communications, 10.1038/s41467-026-75248-6

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）
テクニカルスタッフⅠ 水戸 麻理（ミト・マリ）
眞貝細胞記憶研究室
主任研究員 眞貝 洋一（シンカイ・ヨウイチ）
国際プログラム・アソシエイト（研究当時）チー・ファン（Qi Fang）

東京大学 大学院理学系研究科 生物科学専攻
准教授 伊藤 弓弦（イトウ・ユヅル）

発表者のコメント

エネルギー工場内で行われるタンパク質合成（翻訳）の仕組みは、意外なほど多くが謎に包まれています。細胞質系でも細菌系でもない、いわば「第三の翻訳系」ともいえるこの仕組みを、独自開発した解析技術で明らかにできたことをうれしく思います。（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

東京大学大学院理学系研究科・理学部 広報室
Tel: 03-5841-7585
Email: media.s@gs.mail.u-tokyo.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