メタンを作る微生物は、遺伝子の「終わり」の合図をアミノ酸としても読む

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生き物の設計図であるDNAには、「ここで終わり」を示す合図が書き込まれている。文章でいう句点のようなものだ。

ところが、この「終わり」の合図をときどき無視して、まったく別の意味で読んでしまう微生物がいる。

2025年、アメリカのカリフォルニア大学バークレー校の研究チームは、メタン菌の一種で、同じUAGが終止の合図としても、アミノ酸のピロリシンとしても読まれることを実験で確かめた。

研究は科学誌『米国科学アカデミー紀要(PNAS)』に発表された。順を追って、この「ルール破り」の秘密に迫っていこう。

そもそも遺伝子の「句点」とは何か

まず、生き物がどうやって体を作るのかをおさらいしよう。私たちの体を作るタンパク質は、DNAに書かれた設計図をもとに組み立てられる。

DNAは、アデニン・チミン・グアニン・シトシンという4種類の文字の並びでできている。この4文字を3つずつのまとまりで読むのがルールで、この3文字の単位を「コドン」と呼ぶ。

4種類の文字を3つ組み合わせると、4×4×4で64通りのコドンができる。ところが、これで指定するアミノ酸(タンパク質の部品)は20種類しかない。

数が余るので、複数のコドンが同じアミノ酸を指す「重複」が生じる。

たとえばロイシンというアミノ酸は、なんと6通りものコドンで指定できる。この「余り」があるおかげで、DNAの文字が1つ書き換わっても、指すアミノ酸が変わらずに済むことがある。

そして64通りのうち3つ——専門的にはUAA・UAG・UGAと表記される——は、アミノ酸ではなく「ここで終わり」を意味する。

これがストップコドンだ。タンパク質を組み立てる装置(リボソーム)がこの合図にたどり着くと、「解離因子」というタンパク質が働いて、できあがった部品を切り離し、作業を終える。

ところが、ごく一部の生物では、このうちUAGがアミノ酸の指定にも使われている。

句点を「単語」として読む古細菌

その主役は、メタノサルシナ属の古細菌(アーキア)だ。今回の実験に使われたのは、その一種のメタノサルシナ・アセチボランス(Methanosarcina acetivorans)である。

メタノサルシナは、酸素のない環境でメチルアミンなどからメタンを作るメタン菌の仲間だ。論文は、このメタン生成を環境上重要な代謝だと述べている。

メタノサルシナの遺伝子には、読み取りの途中にUAGをもつものがある。

ふつうならそこでタンパク質作りは終わるが、この微生物ではUAGがピロリシンというアミノ酸として読まれ、作業が続くことがある。

正体は「22番目のアミノ酸」ピロリシン

では、途中に現れたUAGは、何を意味していたのか。答えは、実は今から20年以上も前に見つかっていた。

2002年、アメリカのオハイオ州立大学のクジツキらの研究チームが、メタン菌のUAGをピロリシンとして読むための専用のtRNAを見つけ、ピロリシンが遺伝子にコードされる22番目のアミノ酸だと示した。

私たちが習う「タンパク質を作るアミノ酸は20種類」というルールに対して、ピロリシンは22番目のアミノ酸と呼ばれる例外だ。

ピロリシンはリシンから作られるアミノ酸で、使う生物は限られる。古細菌のゲノムのうち、ピロリシンの遺伝子をもつのは1,881件中95件、約5%だった。

このアミノ酸をタンパク質に組み込むには、それ専用の「運び屋」と、それ専用の酵素が必要で、これらをまとめて作る一連の遺伝子まで備わっている。

ふつうの生き物にはこの専用の運び屋がないので、UAGに出会うと作業は終わる。

ところがメタノサルシナは、この運び屋があるおかげで、UAGにさしかかってもピロリシンを差し込んで先へ進むことがある。

じつは、ピロリシンのほかにも仲間がいる。セレノシステインと呼ばれる21番目のアミノ酸で、こちらは別のストップコドン(UGA)を再利用して作られる。

セレノシステインもピロリシンも、終止コドンにアミノ酸を割り当てる例で、論文はこれを自然な遺伝暗号の拡張と呼んでいる。

ここまでは2002年に報告された既知の話で、2025年の研究が調べたのは、その先の問題だ。

なぜメタン菌にはピロリシンが必要なのか

では、なぜメタノサルシナはUAGを読み替えてまで、ピロリシンを使うのだろうか。論文によると、ピロリシンはメチルアミンを使ったメタン生成に必要なアミノ酸だ。

実験では、ピロリシンを作れなくした変異株は、トリメチルアミン(TMA)を餌にしたときに育たなかった。メタノールでは育ったが、増える速さは15%遅かった。

TMAの利用にはたらく酵素(mttB1)で、ピロリシンの位置をアラニンやリシンに置き換えた変異体も、TMAでは育たなかった。

この酵素のはたらきにピロリシンが欠かせないことを示す結果だ。

ただし論文は、ピロリシンを使うことは諸刃の剣だと述べている。ピロリシンのおかげでメチルアミンの代謝ができる一方、UAGの読み方があいまいになるからだ。

2025年の研究で分かったこと UAGの二つの読み方

ここからが2025年の研究の内容だ。同じUAGが終わりにもピロリシンにもなるなら、セレノシステインのように、読み方を決める目印があるのだろうか。

実験で確かめられたのは、メタノサルシナ・アセチボランスのUAGが、終止の合図とピロリシンの両方として読まれているということだ。

調べたのは、途中にUAGをもつ遺伝子rdmS(センサーキナーゼ)だ。

ピロリシンを作れる株では、UAGで止まった短い形(約25キロダルトン)と、ピロリシンが入って先まで読まれた長い形の両方が検出された。

ピロリシンを作れなくした株では、短い形だけだった。

UAGの読み方を決める、広く共通した配列上の目印は見つかっていない。論文は、ピロリシンの取り込みに必須の配列も専用の伸長因子もないと述べる。

ただし、よく発現するmtmB遺伝子のUAGの近くには、セレノシステインの目印SECISに似た構造があり、読み飛ばしを助けている可能性が高いという。

セレノシステインでは、SECISという目印の構造が、UGAをセレノシステインとして読ませる条件になっている。

一方ピロリシンでは、そうした必須のスイッチは確かめられていない。

つまりこの微生物では、同じUAGが二つの意味をもったまま使われている。論文は、これを進化の途中の段階ではなく、ピロリシンを使う暗号拡張の行き着く先だと述べている。

では、この両立はどう保たれているのか。論文が示したのは仮説で、UAGの読み飛ばしやすさは、ピロリシンの供給と、UAGをもつ遺伝子の転写産物の量(需要)の比で決まるという計算モデルだ。

TMAで育てると、ピロリシン関連の遺伝子は、メタノールのときの少なくとも4倍はたらいた。ただ、UAGをもつ転写産物は約188倍に増え、とくにメチルアミン用の酵素の増え方が大きかった。

このためモデルの上では、UAGの読み飛ばしやすさはメタノールのときの約半分になる。

著者らは、配列に基づく未知の仕組みや別の調節の可能性を否定できないとも書いている。

ゲノム全体の調べでは、ピロリシンをもつ古細菌はUAGを終止に使う頻度が低く、中央値は5.0%で、もたない古細菌の22.0%を大きく下回った。

論文は、ピロリシンの遺伝子を手に入れると、UAGの使用を減らす方向に選択がはたらくと推測している。

遺伝暗号の例外はほかにもある

遺伝暗号は変わらないものだと考えられた時期もあったが、いまでは少なくとも33種類の別の遺伝暗号が知られている。

たとえば、ヒトなど脊椎動物のミトコンドリアでは、本来「終わり」を意味するUGAが、トリプトファンというアミノ酸として読まれる。

ゾウリムシやテトラヒメナなどの繊毛虫の核の暗号では、UAAとUAGがグルタミンとして読まれ、終わりの合図はUGAだけになる。

終止コドンを書き換える研究

終止コドンに別の意味をもたせる発想は、人工的な生物づくりでも使われている。

遺伝暗号の拡張は、天然にはない非天然アミノ酸をタンパク質に組み込み、新しい性質をもたせる技術として研究されている。

2013年、ハーバード大学医学大学院のチャーチらを含むチームは、大腸菌のゲノムにあるUAGをすべて同じ意味のUAAに置き換えた。

これで放出因子1を取り除けるようになり、UAGの翻訳の役割を作り替えられた。

この大腸菌は、実験でT7ファージ(細菌に感染するウイルス)への耐性が高まった。

著者らは、新しい遺伝暗号がウイルスへの耐性を高めうることを示した例だとしている。

この大腸菌は、非天然アミノ酸を組み込む性能も高まっていた。