生命の根源的なプロセスを細胞レベルで捉えた映像:60Sサブユニットの輸送

http://img.youtube.com/vi/FTlP5Pclgmo/maxresdefault.jpg 生物学
© Dr. Jan Ruland, AG Kubitscheck / University of Bonn

ボン大学の研究により、タンパク質を作る分子機械が核の外に運ばれる様子が明らかになりました。

細胞内のすべてのタンパク質は、複雑な分子機械によって組み立てられています。

このリボソームの前駆体は、細胞核で作られた後、いわゆる核の孔から細胞内に入ります。

今回、ボン大学とチューリッヒ工科大学の研究者らは、この基本的なプロセスを生きた細胞内で初めて撮影しました。

この実験により、リボソームがどのようにして作られるかについての理解が深まりました。

この研究成果は、Nature Communications誌に掲載されました。

細胞核は一種の金庫のようなもので、細胞内にあり、細胞内のすべてのタンパク質の構築指示を含むDNAを守っています。

細胞が特定の仕事のためにタンパク質を必要とするとき、細胞は核の中で一致するDNAセグメント1特定の特質を有する大きなDNA分子の一部の転写を注文します。

転写されたものは、核を離れて、複雑な分子機械であるリボソームに到達します。

リボソームは、指示された内容に沿って段階的に作業を進め、目的のタンパク質を作り出します。

つまり、細胞分子の大部分は核の外で作られています。

しかし、リボソーム自体はそうではありません。

リボソームの多くの構成要素は、すでに核の中でほぼ組み立てられています。

リボソームは、核内で多くの構成要素が組み立てられており、60Sサブユニットと40Sサブユニットという2つの大きな分子複合体を形成しています。

そして、この2つのサブユニットは、核の孔を通って細胞内に入り、最終的に組み立てられてリボソームを形成します。

今回、ボン大学とチューリッヒ工科大学の研究チームは、大きなサイズの60Sサブユニットの輸送がどのように行われるかを正確に撮影しました。

ボン大学物理・理論化学研究所のUlrich Kubitscheck教授は、「核膜孔を緑色の色素で染色し、60Sサブユニットを赤色で染色しました。」と説明します。

記録は、この目的のために研究者が特別に改造した特殊な顕微鏡を使って行われました。

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細孔を塞ぐゲルの栓

「このようにして、リボソームの各構成要素が孔を通過する様子をリアルタイムで捉えることに、世界で初めて成功しました。」と語るのは、本研究の筆頭著者であるJan Ruland博士で、彼はKubitscheck博士の研究グループで博士号を取得しました。

ヒトの細胞核は数千個の孔で覆われていますが、その孔の直径は1万分の1mm程度しかありません。

この成功は、顕微鏡技術の進歩だけでなく、10年以上にわたって研究者が継続的に手法を最適化してきたことによるものです。

孔の中を移動するには複雑なプロセスが必要です。

孔は、通常は大きな分子の通過を妨げる一種のゲルで密閉されています。

リボソームのサブユニットは巨大なので、助けがなければ核を離れることができません。

そこで、輸出受容体と呼ばれる特定の分子で自分たちを囲みます。

これにより、いわばゲルの栓を「泳いで」通り抜けることができるのです。

「各孔の外側には、リボソームユニットを引き抜くタンパク質のグリッパーがあります。」と、Kubitscheck氏の同僚であるJan Peter Siebrasse博士は説明します。

通過にかかる時間はわずか25ミリ秒

60Sサブユニット(赤)が核膜孔を通過する様子:「ゲルの栓」は緑、サブユニットの経路は黄色で示されている。

60Sサブユニット(赤)が核膜孔を通過する様子:「ゲルの栓」は緑、サブユニットの経路は黄色で示されている。© Dr. Jan Ruland, AG Kubitscheck / University of Bonn

このステップは、輸送プロセスの「ボトルネック」となっているようです。

Kubitscheck氏と同じく、「物質の構成要素と基本的な相互作用」(TRA Matter)という学際的研究分野のメンバーであるSiebrasse教授は、「タンパク質のグリッパーが孔に到達する地点で、60Sサブユニットがまさに積み重なっていることを実証できました。」と語ります。

とはいえ、物質の移送は比較的早く進み、1つの孔を1秒間に35~50個のサブユニットが通過すると研究者たちは推定しています。

しかし、映像を評価したところ、必ずしもうまくいくとは限らないこともわかりました。

60Sサブユニットが孔に接触し、実際に核の外に出たのは、3つに1つのケースだけでした。

しかし、残りのケースではプロセスが中断されていました。

おそらく、他の分子が同時に核外へ輸送されたためではないかとKubitscheck氏は推測しています。

今回の研究により、リボソームの形成について、より詳細な知見が得られました。

また、この方法は、他の輸送プロセスの研究にも適しているといいます。

「私たちは、現在の技術的な可能性をほとんど使い果たしてしまいました。論文の査読者が我々の研究を、他のグループが恩恵を受けることができるような参考文献と呼んだのも、理由がないわけではありません。」とKubitscheck氏は言います。

Published by University of Bonn. Jan Andreas Ruland et al, Nuclear export of the pre-60S ribosomal subunit through single nuclear pores observed in real time, Nature Communications (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-26323-7