溶液中のRNase P RNAの構造空間

生物物理学 生命科学 生化学
RNA構造 溶液中原子間力顕微鏡 深層学習 統計分析 酵素活性

RNAのコンフォメーション空間の研究：溶液中のRNase P RNAの動的構造

学術的背景

RNAのコンフォメーション多様性は、生物学において重要な役割を果たしており、特にRNAスプライシング、パッケージング、細胞転写活性化、および環境刺激応答などのプロセスにおいて重要です。しかし、従来の生物物理学的技術では、溶液中のRNAの完全なコンフォメーション空間を直接可視化することはできませんでした。RNase P RNAは、すべての生物界に存在するRNA酵素であり、前駆体tRNA（pre-tRNA）の5’末端を編集する役割を担っています。その基質特異性が広範であることから、RNase P RNAは高いコンフォメーション柔軟性を持つと考えられており、この柔軟性と酵素活性に必要な剛性構造との間には複雑なバランス関係が存在します。このコンフォメーション柔軟性と構造剛性の関係を理解することは、RNAの機能と生物学的意義を明らかにするために極めて重要です。

論文の出典

本論文は、Yun-Tzai Lee、Maximilia F. S. Degenhardt、Ilias Skeparnias、Hermann F. Degenhardt、Yuba R. Bhandari、Ping Yu、Jason R. Stagno、Lixin Fan、Jinwei Zhang、およびYun-Xing Wangによって共同執筆されました。研究チームは、米国国立癌研究所（National Cancer Institute）、米国国立糖尿病・消化器・腎臓病研究所（National Institute of Diabetes and Digestive and Kidney Diseases）、およびLeidos Biomedical Research, Inc.に所属しています。論文は2024年に『Nature』誌に掲載されました。

研究の流れ

1. 研究対象の準備

研究では、Geobacillus stearothermophilus（Gst）由来の全長RNase P RNAを使用しました。RNAは体外転写（IVT）によって調製され、高速液体クロマトグラフィー（FPLC）を用いて精製されました。精製されたRNAは、1 mM Mg²⁺の生理学的に関連する濃度下でAFMイメージングを行いました。

2. 溶液中の原子間力顕微鏡（AFM）イメージング

AFMイメージングは4°Cで行われ、Cypher VRS AFM装置を使用しました。RNA分子は、1-(3-アミノプロピル)シラン（APS）処理されたマイカ表面上に固定されました。AFM画像の分解能は10-15 Åで、RNAの主要な構造特徴と全体的なフォールディングを明確に識別することができました。

3. コンフォメーション構造の決定

AFM画像から158個の独立したRNA分子を選択し、HORNETソフトウェアパッケージを使用して各分子の3次元トポロジー構造を決定しました。これらのコンフォメーション構造は、小角X線散乱（SAXS）データによって検証され、回転半径（Rg）に基づいて3つのクラスに分類されました：C1（コンパクトなコンフォメーション）、C2（中間的なコンフォメーション）、およびC3（拡張されたコンフォメーション）。

4. コンフォメーション空間の分析

主成分分析（PCA）および原子運動類似性行列（AMSM）などの手法を用いて、RNA分子のコンフォメーション空間を分析しました。その結果、RNase P RNAのSドメイン（P7-P9、P10.1、およびP12を含む）が最大の空間運動を示し、振幅は55 Åに達することが明らかになりました。さらに、RNA分子内の異なる構造ドメイン間の相関運動も明らかにされました。

5. Mg²⁺がコンフォメーション空間に及ぼす影響

SAXSおよび酵素活性実験を通じて、Mg²⁺濃度がRNase P RNAのコンフォメーション空間に及ぼす影響を調査しました。その結果、Mg²⁺濃度の増加に伴い、RNA分子は次第にコンパクトになり、酵素活性も向上することが示されました。特に1 mM以上のMg²⁺濃度では、RNAのコンフォメーション空間が著しく縮小し、酵素活性が顕著に向上しました。

6. 配列とコンフォメーションダイナミクスの関連

系統発生解析およびコンフォメーションダイナミクス解析を通じて、RNase P RNAの配列保存性とコンフォメーションダイナミクスとの関係を調査しました。その結果、RNAの特定の領域は配列保存性が低いにもかかわらず、コンフォメーション的に高い保存性を示すことが明らかになりました。これは、構造的相補性によって駆動されている可能性があります。一方、配列保存性が高い領域は、高いコンフォメーションダイナミクスを示し、その機能に関連している可能性があります。

主な結果

  1. コンフォメーション多様性：RNase P RNAは溶液中で広範なコンフォメーション多様性を示し、特にSドメイン（P7-P9、P10.1、およびP12を含む）が最大の空間運動を示し、振幅は55 Åに達しました。
  2. Mg²⁺の影響：Mg²⁺濃度の増加に伴い、RNA分子は次第にコンパクトになり、酵素活性も向上しました。特に1 mM以上のMg²⁺濃度では、RNAのコンフォメーション空間が著しく縮小し、酵素活性が顕著に向上しました。
  3. 配列とコンフォメーションダイナミクスの関連：RNAの特定の領域は配列保存性が低いにもかかわらず、コンフォメーション的に高い保存性を示すことが明らかになりました。これは、構造的相補性によって駆動されている可能性があります。一方、配列保存性が高い領域は、高いコンフォメーションダイナミクスを示し、その機能に関連している可能性があります。

結論

本研究は、溶液中のAFM、深層ニューラルネットワーク、および統計解析を用いて、初めてRNase P RNAの完全なコンフォメーション空間を直接可視化しました。研究は、RNase P RNAのコンフォメーション多様性とその酵素活性および基質特異性との関係を明らかにしました。さらに、RNAの配列保存性とコンフォメーションダイナミクスとの間に複雑な関連があることを示し、RNAの機能と進化を理解するための新しい視点を提供しました。

研究のハイライト

  1. RNAコンフォメーション空間の直接可視化：本研究は、溶液中のAFMを用いて初めてRNAの完全なコンフォメーション空間を直接可視化し、RNAの構造とダイナミクスを研究するための新しい方法を提供しました。
  2. RNAのコンフォメーション多様性の解明：研究は、RNase P RNAが溶液中で広範なコンフォメーション多様性を示し、特にSドメインが最大の空間運動を示すことを明らかにしました。
  3. Mg²⁺がRNAコンフォメーションと酵素活性に及ぼす影響：研究は、Mg²⁺濃度の増加がRNAのコンフォメーション空間を著しく縮小し、酵素活性を向上させることを示しました。
  4. 配列とコンフォメーションダイナミクスの関連：研究は、RNAの配列保存性とコンフォメーションダイナミクスとの間に複雑な関連があることを明らかにし、RNAの機能と進化を理解するための新しい視点を提供しました。

研究の意義

本研究は、RNase P RNAの構造と機能を理解するための新しい知見を提供するだけでなく、他のRNA分子のコンフォメーションダイナミクスを研究するための新しい方法を提供しました。さらに、RNAの配列保存性とコンフォメーションダイナミクスとの間に複雑な関連があることを示し、RNAの機能と進化を理解するための新しい視点を提供しました。