Roger Kornberg博士の受賞に思う : 2006年ノーベル化学賞

2006年
ノ ーベ ル 化 学 賞
Roger
Kornberg博
士 の受 賞 に思 う
の3種
●は じ め に
2006年
ノ ー ベ ル 化 学 賞 は,米
のRoger
D. Kornberg教
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す べ て 敬 称 略).彼
国 ス タ ン フ ォ ー ド大 学
cular basis of eukaryotic
た た め で あ る.こ
studies
transcription)”
on
争 の 激 し い 分 野 だ け に,読
者 の なか
に は こ の 単 独 受 賞 に や や 驚 い た む き も あ ろ う.し
こ れ か ら述 べ る よ う な,Kornbergの
Human
な わ ち,生
解 析 を 縦 横 に 駆 使 し た 成 果 を み れ ば,こ
Frontier
Science
人 的 に は,1990年
Programの
宏(現 東 京 工 業 大 学 教 授),Stephen
か で も,
蛋 白 質 を コ ー ドす る 遺 伝 子 の す べ て を転 写 す るⅡ 型
RNAポ
リ メ ラ ー ゼ(RNAポ
リ メ ラ ー ゼⅡ)が も っ と も多
くの 関 心 を 集 め た こ とは い う ま で もな い.
一 方 ,1970年
代 後 半 か ら,塩 基 配 列 決 定 法 お よ び
DNA組
換 え実 験 技 術 の 確 立 に よ っ て さ ま ざ ま な 生 物 で
れ に
さ ま ざ ま な遺 伝 子 が ク ロ ー ニ ング され る よ う に な り,他
間,
方 で は,細 胞 レベ ル で の研 究 に よ っ て 転 写 開 始 点 を 決 定
か ら3年
基 金 の も と,半
Johnston(現
∼16個 の サ ブ ユ ニ ッ トか ら構 成 され る 複 合
サ ブ ユ ニ ッ トの あ る こ と,が わ か って い る.な
か し,
化学的方
リメ ラーゼが そ
体 で あ る こ と,そ れ ぞ れ に 固有 の サ ブ ユ ニ ッ トと共 通 の
転写 に対 す る機能
と 構 造 の 両 面 か ら の ア プ ロ ー チ,す
納 得 せ ざ る を え な い.個
れ ぞ れ12個
が 高 く評 価 さ れ
の分野 は分子生物 学の なかで ももっ と
も研 究 者 の 多 い,競
法 とX線
mole
合 成 を担 当 す る こ と が 明 ら か
に され た.現 在 で は,こ れ らのRNAポ
に わ た る “真 核 生 物 に お け る
転 写 の 分 子 的 基 盤 の 基 礎 的 研 究(basic
リ メ ラ ー ゼ が 存 在 し,そ れ ぞ れ,
rRNA,mRNA,tRNAの
授(写 真)に 与 え ら れ た(以 下,
の30年
類 のRNAポ
田
米 国テ
す る 配 列(TATAボ
ッ ク ス を 含 む プ ロ モ ー タ ー 領 域)
や 遺 伝 子 特 異 的 な 転 写 効 率 を 高 め る 配 列(エ
ンハ ン サ
キ サ ス 大 学 教 授)ら と と も に 共 同 研 究 チ ー ム を 組 む 機 会
ー また は 上 流 活 性 化 配 列)が 同 定 さ れ る に お よ ん で,試
を 得 た 者 と し て,Kornbergに
験 管 内転 写 系 の 開 発 が 焦 点 と な っ た.と
心 か ら の 祝 意 を 表 し た い.
れ た真 核 生 物 のRNAポ
リ メ ラ ー ゼⅡ は,細 菌 の場 合 と
は異 な り,試 験 管 内 で は 単 独 でDNAの
●転 写 研 究 の 歴 史
細 胞 がDNAに
こ ろ が,精 製 さ
刻 ま れ て い る 情 報 をmRNAに
読み取
正確 な位 置か ら
転 写 を は じめ る こ とが で きな か っ た.こ の 難 問 も ま た,
る 機構 と して の 転 写 が 生 化 学 の研 究 対 象 に な っ た の は,
Roederの
1960年 初 頭 のmRNAの
に は 少 な くと も5個 の 蛋 白 質性 因 子,TFⅡB,TFⅡD,
発 見 と,こ れ に ひ き 続 くRNA
グ ル ー プ に よ っ て 解 決 され,正
ポ リ メ ラー ゼ の 精 製 に端 を 発 す る.こ れ らが 細 菌 を用 い
TFⅡE,TFⅡFお
て 行 な わ れ た た め,転 写 機 構 の研 究 は もっ ぱ ら細 菌 を材
よぶ)が 必 要 で あ る こ とが 判 明 し た2).こ の 研 究 に は,
料 と して 進 行 し,長 い あ い だ,細
Roeder研
菌す なわち原核生物 に
よ びTFⅡH(こ
確 な転 写 開 始
れ ら を基 礎 転 写 因 子 と
究 室 に留 学 して い た 松 井 隆 司(現 福 山大 学 教
お い て 明 らか に さ れ た し くみ が そ の ま ま真 核 生 物 に も通
授)が 多 大 の 貢 献 を し た こ と は 有 名 で あ る.さ
用 す る,と
TFⅡBを
い う あ や ま っ た 予 断 が あ った.こ
底 か らつ くが え し た の は,米
Robert
Roederら
ち1969年,HeLa細
Toshio
2356
国 ロ ック フ ェラ ー大 学 の
に よる 画 期 的 な発 見 で あ る1).す な わ
胞 の 抽 出 液 に はⅠ 型,Ⅱ
Fukasawa,慶應
蛋 白質
の 予 断 を根
核酸
型,Ⅲ 型
除 く基 礎 転 写 因 子 は 複 数 の サ ブ ユ ニ ッ トか ら
な る 複 合 体 で あ る こ と も明 らか に され た.ま た,TFⅡD
の 中 心 因 子,TATAボ
ック ス 結 合 蛋 白 質(TATA
binding protein;TBP)は,3種
義 塾 大 学 名 誉 教 授E-mail:[email protected]
酵 素Vol.51No.15(2006)
ら に,
のRNAポ
box-
リメラーゼす
べ て の転 写 開始 に 必 要 で あ る こ と も わ か っ て い る.
● 出芽 酵 母 を用 い た 試 験 管 内 転 写 系 の 構 築
―Kornbergの
登場
以 上 の研 究 は,す べ て 哺 乳 動 物 も し くは多 細 胞 生 物 由
来 の材 料 で 行 な わ れ た.つ
ぎの 材 料 と して,大 量 培 養 が
容 易 で 安 価 な 出芽 酵 母(Saccharomyces cerevisiae)が
注目
され た の は 当 然 で あ る.そ
の う え,古 典 的 な 遺伝 解 析 技
術 と近 代 的 な組 換 えDNA技
術 の 組 合 せ に よ り,出 芽 酵
母 にお け る 細 胞 内転 写 に 関 す る情 報 量 は ほ か の真 核 生 物
に比 べ 圧 倒 的 に多 く,“ 真 核 生 物 の 究 極 の モ デ ル ”と さ
え いわ れ て い た.し
か し な が ら,出 芽 酵 母 に は 強 い 蛋 白
質 分 解 酵 素 や核 酸 分 解 酵 素 が あ り,試 験 管 内 転写 系 を確
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立 す る の は 至 難 の業 と され て い た.い
室 が こ の難 題 に挑 戦 した が,す
め た と伝 え られ て い る.こ
た の は,Kornbergた
Roger
くつ か の有 名研 究
べ て 失 敗 に お わ りあ き ら
の 課 題 に 粘 り強 く立 ち 向 か っ
だ ひ と りで あ っ た.
Kornbergは,1971年
学 で 学 位 取 得 後,1972年
写 真Roger
D.Kornberg博
士
博士 自身 よ り この解 説 の た め に送 られ たも の.
に米 国 ス タ ンフ ォー ド大
か ら1973年
に か け て,ボ ス ド
ク と し て 英 国 ケ ン ブ リ ッ ジ 大 学 でFrancis
Crick(1962
に決 め られ た 場 所 で 行 な わ れ た り,特 異 的 な環 境 の 変 化
に対 応 して 行 な わ れ た りす るた め に は,そ れ ぞ れ の 遺伝
年 ノー ベ ル 医 学 生 理 学 賞)お よ びAaron
Klug(1982年 ノ
ー ベ ル化 学 賞)ら と と も に過 ご し,ク ロ マ チ ン構 造 のX
子 の 上 流 に 局 在 す るエ ンハ ンサ ー に,ア
線 解 析 を最 初 の テー マ と し た.そ の 研 究 か ら,染 色 体 の
よ ば れ る特 異 的 な 蛋 白 質 が 結 合 す る こ とが 必 要 で あ る.
基 本構 造 と して,ヒ
出 芽 酵 母 で も っ と も広 く知 られ て い る ア クチ ベ ー ター は
ぞ れ の2量
DNAが
ス トンH2A,H2B,H3,H4の
それ
体 が つ く る8量 体 の ま わ り を200塩
基対の
と りま く,い わ ゆ る ヌ ク レ オ ソ ー ム 構 造 を提 唱
して 世 界 の 注 目 を 集 め た3).1976年
に 帰 国 し,1年
ハ ー バ ー ド大 学 に 助 教 授 と し て 赴 任,1978年
間,
か らス タ
Gal4で,ガ
クチ ベ ー ター と
ラ ク トー ス 代 謝 系 酵 素 の 構 造 遺 伝 子 上 流 に
あ る17塩 基 対 の 特 異 的 な 配 列 に 結 合 す る.か つ て は,
これ らア クチ ベ ー ター が 直 接 にRNAポ
リ メ ラー ゼⅡ ま
た は基 礎 転 写 因子 に結 合 して 転 写 を促 進 す る も の と考 え
ンフ ォー ド大 学 に 教 授 と し て戻 り,出 芽 酵 母 を用 い た 試
ら れ て い た.し
験 管 内 転 写 系 の構 築 を め ざ した.爾
に 結 合 しな い が ア クチ ベ ー ター の もつ 活 性 化 シ グ ナ ル を
を 克服 し再 びKornbergの
の は,1987年
来,さ
まざまな困難
名 が 転 写 の 表 舞 台 に登 場 す る
で あ る.RoederのHeLa細
胞抽 出液 を用
RNAポ
か し,1990年
前 後 か ら,自 身 はDNA
リメ ラ ー ゼⅡ に 伝 え る,い わ ば 仲 介 役 を す る 蛋
白質(メ デ ィエ ー タ ー また は ア ダ プ ター と よ ば れ た)が 存
い た 試 験 管 内転 写 系 の 確 立 に 遅 れ る こ と実 に10年,細
在 す る とい う考 え 方 が,お
胞 内転 写 系 を正 確 に再 現 で き る 出 芽 酵 母 の 試 験 管 内転 写
に よ り複 数 の 研 究 室 か ら提 唱 され は じめ た.筆 者 らの 見
系 を構 築 す る こ と に 成 功 し た4).そ の の ち,正 確 な転 写
い だ したGal11も
に 必 要 な基 礎 転 写 因 子 を つ ぎつ ぎ と 出 芽 酵 母 か ら分 画
の 遺 伝 子 欠 失 は細 胞 に きわ め て 多 面 的 で 重 大 な影 響 を お
し,1992年
よぼ し,多 く は致 死 も し くは 条 件 致 死 とな る.一 方,再
ま で に は,完 全 に精 製 さ れ たRNAポ
リメ ラ
も に 出芽 酵 母 の 遺 伝 学 的解 析
そ の ひ とつ で あ る5).メ デ ィエ ー ター
ー ゼⅡ と基 礎 転 写 因 子 か ら構 成 され た 試 験 管 内転 写 系 を
構 成 さ れ た 試 験 管 内 転 写 系 に精 製 さ れ た ア クチ ベ ー ター
確 立 した の で あ る.
を加 え て も転 写 は促 進 さ れ ない こ と か ら,こ の 系 に は 遺
伝 学 的 研 究 か ら想 定 さ れ た メデ ィエ ー ター が 欠 け て い る
● メ デ ィエ ー タ ー 複 合 体 の 発 見
特 定 の 遺 伝 子 の 転 写 が,発 生 や 分 化 の 決 め られ た 時 期
もの と予 想 され た.
そ こ で,ど の よ う に して この メ デ ィエ ー ター を精 製 す
蛋 白質
核酸
酵 素Vol.51No.15(2006)
2357
ー ター は ,Gal11を
含 む 実 に20個
あ ま りの サ ブ ユ ニ ッ
トか ら な る 巨 大 な 複 合 体 で,RNAポ
リ メ ラ ー ゼ Ⅱ最 大
サ ブ ユ ニ ッ トのC末
main;CTD)に
(図1).そ
端 に あ る 反 復 配 列(C-terminaldo
結合 して い る こ とが わ か っ た の で あ る
の の ち,こ
の メ デ ィエ ー ター 複 合 体 はHeLa
細 胞 を含 む 広 範 囲 の 生物 に存 在 して い る こ とが 明 らか に
さ れ,現 在 で は,そ
の サ ブ ユ ニ ッ トの 多 くが 酵 母 か ら ヒ
トまで,調 べ られ た か ぎ りの 生 物 に保 存 され て い る こ と
が わ か っ て い る7).
●転 写 装 置 の 構 造 解 析
図1
1990年 代 な か ば ご ろ か ら,Kornbergは
真核生物の転写開始複合体
青 色 の 鎖 は鋳 型DNA,そ
の ほ か,転 写 装 置 を構 成 す る さ ま ざ ま
な蛋 白 質性 因 子 を 示 す.本 文 参 照.
的 研 究 を推 進 す る 一 方,若
転写 の生化 学
き 日 に つ ち か っ たX線
解析
技 術 を さ ら に発 展 させ て,転 写 装 置 の 構 造 解 析 に乗 り出
[ノー ベル 財 団 によ る プ レス リ リー スよ り転載 ・改 変]
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し た.ま
ず,転
写 装 置 の 中 心 に あ る,転
個 の サ ブ ユ ニ ッ トか ら な るRNAポ
酵 母 か ら大 量 に精 製 し,2種
Aお よ び3.1Aで
写 に 必 須 な10
リ メラー ゼ Ⅱを出芽
類 の 結 晶 を得 て解 像 度2.8
解 析 した.こ
の と き,出 芽 酵 母 の材 料
と して の 有 利 さ が 最 大 限 に生 か され て い る こ とは い う ま
で も な い.さ
ら に,RNAポ
お よ び,そ のRNA産
リ メ ラ ー ゼ Ⅱ,鋳 型DNA,
物 を含 む 共 結 晶 を解 析 す る こ と に
よ り,転 写 の 動 態 を 原 子 レベ ル に まで 押 し下 げ て 明 らか
に した.こ
の よ う に,完 全 に 活 性 を 保 持 し て い る “転 写
開 始 複 合 体 ”を 得 る こ と は,技 術 的 に きわ め て む ず か し
い.な ぜ な ら,転 写 を 開 始 させ る に は5つ
の基礎転 写因
子 が 必 要 で あ る た め,酵 素 単 独 で の 反 応 効 率 は きわ め て
低 い か らで あ る.そ の う え,反
RNAポ
応 系 に は 活 性 を失 っ た
リ メ ラ ー ゼ Ⅱが 多 く含 ま れ て い る.し
か も,複
合 体 の 構 成 を壊 さぬ よ う,な るべ く温 和 な 方 法 で 精 製 し
図2
DNAは
RNAポ
な け れ ば な ら な い.く
リメラ ーゼ Ⅱの転 写複 合体
青色,合 成 さ れ たRNAは
オ レン ジ色,活 性 中心 を 構 成 す
る“
く ぼみ ”を 横 切 る(最 大 サブ ユ ニ ッ トの)架 橋 とな る ヘ リ ック ス
は緑 色,活 性 中 心 の 金 属 は ピ ン ク色 で示 す.
わ しい手順 は原 著 論 文 に ゆず る
が8∼11),こ こ に もKornbergの
憾 な く発 揮 され て い る.
こ れ ら の 解 析 か ら,10個
[ノー ベ ル財 団 によ る プ レス リ リー ス よ り転 載]
生 化 学 的 知 識 の 深 さが 遺
の サ ブユ ニ ッ トの う ち も っ
と も大 き い2個 が 活 性 中心 を構 成 し,そ の ほ か の サ ブユ
る か が つ ぎの 課 題 と な っ た.こ れ は机 上 で 考 え る ほ ど容
ニ ッ トが 分 子 全体 の 構 成 を 支 えて い る,と
易 で は な い.基 礎 転 写 因 子 の 場 合 は,RNAポ
が 明 らか に さ れ た(図2).Kornbergは
ゼ と特 定 の鋳 型DNAか
リメ ラー
ら な る系 で 転 写 が 起 こ る か ど う
発 展 さ せ,反
や,そ
で きる が,メ
す る し くみ,あ る い は,鋳 型DNA上
か な い.こ の 困 難 な実 験 を成 功 させ た の は,当 時,韓
か らKornberg研
究 室 に 留 学 して い た 金 永 峻(現
延 世 大 学 教 授)で あ っ た6).そ の 結 果,な
2358
蛋白質
核酸
酵 素Vol.51No.15(2006)
国
韓国
ん とメデ ィエ
さ らに この 系 を
応 前 の リ ボ ヌ ク レ オ チ ドが 結 合 す る 部 位
か を み る こ とに よ り,比 較 的 容 易 にア ッセ イ す る こ とが
デ ィエ ー ター の ア ッセ イの 場 合 は そ う は い
い う基 本 構 造
の 構 造 が ミス マ ッチ した リ ボ ヌ ク レオ チ ドを排 除
鎖 を 分 離 す る し くみ を,つ
につ く られ たRNA
ぎつ ぎ と発 表 さ れ た10編
こ え る 論 文 の な か で 明 示 して い る.そ
を
して 今 後 は,基 礎
転 写 因 子 や メ デ ィエ ー タ ー を含 む 構 造 の解 析 が 望 まれ て
デ ー タの 高 い 品 質 を担 保 して い る の だ と思 う.わ が 国 の
い る.
若 き指 導 者 た ち に もぜ ひ教 訓 と し て ほ し い.
● お わ りに 一 な に がKornbergを
成 功 さ せ たの か?
X線 回折 に よ る構 造 解 析 に よ っ て,わ れ わ れ は は じめ
て,生 化 学 的 方 法 で は と うて い 得 られ な い 分 子 お よ び そ
Kornbergの
共 同 研 究 者 の ひ と り,Yahli
Lorchは,
れ を構 成 す る 原 子 の 空 間 的 な位 置 を 明 らか にす る こ とが
彼 の 最 愛 の 妻 で あ る.イ ス ラ エ ル 出 身 の こ の美 し い研 究
で き,そ れ に よ り生 物 現 象 の 基 本 的 な し くみ を可 視 的 に
者 の 家 庭 内 外 で の 協 力 な く して は,彼
理 解 す る こ とが で きる.し
の で は な か ろ う か.ま
か し,筆 者 の み るか ぎ り,世
た,DNAポ
の 成 功 は なか っ た
リメ ラーゼ の発 見 で
間 一般 の 構 造 解 析 研 究 は構 造 を 静 的 に と ら え るだ け の も
1959年 ノ ー ベ ル 医 学 生 理 学 賞 を 受 賞 し たArthur
の が多 く,複 雑 な生 命 現 象 を理 解 す る とこ ろ まで 達 して
bergは 彼 の 父 親 で あ る.
い な い.そ
れ に 対 してKornbergの
研 究 は,彼 の 生 化 学
最 後 に,急
Korn
いで 原 稿 を読 ん で細 か い 誤 り まで 訂 正 し て
に 関す る 知 識 の 深 さ に よ っ て,転 写 を動 的 に と らえ る こ
くれ た 共 同研 究 者 の桜 井 博(金 沢大 学 医 学 部)に 謝 意 を表
と ま で を可 能 に し た.
した い.
い ま,Kornbergの
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[付 記]
研 究 全 体 を 総 括 的 に 振 り返 る と
き,筆 者 は,壮 大 な交 響 曲 を聴 く思 い が す る.研 究 人 生
を 通 じて 転 写 とい う ひ とつ の 主 題 に 固 執 し,そ れ を 見 事
に 発 展 させ た こ の 科 学 者 に あ らた め て 脱 帽 せ ざ る を え な
1)
Roeder, R. G.,Rutter, W. J.: Nature, 224, 234-237 (1969)
い.し か し,そ の 過 程 は決 して 平 坦 な もの で は な か っ た.
2)
Matsui, T., Segall, J., Weil, P. A., Roeder, R. G.: J. Biol.
Chem., 255, 11992-11996 (1980)
Kornberg, R. D.: Science, 184, 868-871(1974)
Lue, N. F., Kornberg, R. D.: Proc. Natl. Acad. Sci. USA,
84,8839 8843(1987)
Nishizawa, M. Suzuki, Y., Nogi, Y., Matsumoto, K., Fukasawa, T. : Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 87, 5373-5377 (1990)
Kim, Y.-J, Bijorklund, S., Li, Y., Sayre, M. H., Kornberg, R.
D.: Cell, 77,599-608(1994)
Bourbon, H. M. et al.: Mol. Cell, 14, 553-557 (2004)
Cramer, P., Bushnell, D. A., Kornberg, R. D.: Science, 292,
1863-1876(2001)
Gnatt, A. L., Cramer, P., Fu, J., Bushnell, D. A., Kornberg, R.
D.: Science, 292,1876-1882 (2001)
Westover, K. D., Bushnell, D. A., Kornberg, R. D.: Science,
303,1014-1016(2004)
Westover, K. D., Bushnell, D. A., Kornberg, R. D. : Cell,
119,481-489(2004)
英 国留 学 か ら帰 国 後 の ほ ぼ10年
間 は,い
飛 ば ず ”の 日々 が続 い た.筆 者 は,こ
わ ば “鳴 か ず
のあ いだ彼の研 究
3)
4)
を 支 えつ づ け た ス タ ン フ ォー ド大 学 お よ び米 国の 科 学 行
政 に 最 大 限 の 敬 意 を 表 した い.ま
た,彼
を成 功 に導 い た
要 因 の ひ とつ と して,実 験 系 と して 出 芽 酵 母 を選 択 した
こ とを あ げ た い.出 芽 酵 母 のRNAポ
を こ え て 保 存 さ れ て お り,ヒ
トと の あ い だ で も53%の
と して 得 られ た 転 写 の し くみ が ヒ トに もあ て は ま る こ と
に 与 え られ た こ と は記 憶 に新 しい.こ
れ らの 事 実 は,ぜ
ひ わが 国 の 科 学 行 政 に た ず さ わ る 方 々 に も参 考 に して い
た だ きた い.
9)
10)
11)
深 沢俊 夫
人 的 にKornbergの
研 究 態 度 を知 る もの と
して ど う し て もい っ て お き た い の が,彼
で あ る.彼
7)
8)
ノーベ ル 医学 生理学 賞 が
酵 母(出 芽 酵 母 お よび 分 裂 酵 母)を 用 い た細 胞 分 裂 の 研 究
最 後 に,個
6)
リ メ ラ ー ゼⅡ は種
ア ミノ 酸 残 基 を共 有 して い る.こ れ は,出 芽 酵 母 を材 料
を 強 く示 唆 して い る.2001年
5)
の 実 験へ の 執 着
は,実 験 台 の か た わ らで,学 生,ボ
ス ドク,
そ の ほ か の 共 同研 究 者 た ち に,詳 細 で 的 確 な 指 導 の で き
る 実 験 家 で あ る.こ
の 姿 勢 が,彼
の 研 究 室 か ら生 まれ る
1954年
慶 應 義 塾 大 学 医 学 部 卒 業,1955年
学 部 助 手,1962年
助 教 授,1975年
DNA研
慶 應義 塾大 学 医
大 阪 大 学 蛋 白質 研 究 所 助 手,1965年
慶 應 義 塾 大 学 医 学 部 教 授,1995年
究 所 特 別 客 員 研 究 員 を 経 て,1998年
に て ボ ラ ン テ ィ ア と して 研 究 活 動 を 続 行 中.慶
同
かずさ
に 退 職,各
所
應義塾大 学名
誉 教 授.
蛋白質 核酸
酵 素Vol.51No.15(2006)
2359