1989年ノーベル化学賞
受賞理由
RNAの触媒機能の発見
受賞者
カナダ, 
アメリカ合衆国
アメリカ合衆国
解説
私たちの体の細胞では、DNAという設計図をもとにタンパク質が作られます。しかし、アルトマンさんとチェックさんは「RNA」というメッセンジャーも自分で化学反応を進められることを発見しました。これは、手紙を運ぶだけと思っていた配達員が自分で荷物を組み立ててしまうような驚きでした。この発見は、生き物の仕組みを理解する新しい手がかりになりました。
関連キーワード
リボザイム
リボザイムはRNA分子が自身または他の基質を化学的に変換する触媒能力を持つものの総称である。従来、酵素はタンパク質のみと考えられていたが、リボザイムの発見によりこの定義が拡張された。天然にはリボソームのペプチジルトランスフェラーゼ中心、スプライソソームU6 RNA、ハンマーへッドリボザイムなどが存在する。人工リボザイムもSELEXによって多数作成され、DNA切断やポリマー化反応を触媒する例が報告されている。リボザイムの活性は複雑な二次・三次構造と金属イオン依存性に支えられ、分子薬理や合成生物学での応用が拡大している。
RNase P
RNase Pは前駆体tRNAの5'リーダーを除去し成熟tRNAを生成する必須エンドヌクレアーゼである。原核生物ではM1 RNAと小型タンパク質サブユニットから構成されるが、触媒中心はRNAに位置する。Altmanの研究でRNA単独のMg2+依存活性が証明され、リボザイム概念の出発点となった。真核生物や古細菌でもホモログが保存され、複数タンパク質がRNAを安定化するタイプも存在する。近年のcryo-EM解析により基質認識ポケットと遷移状態安定化戦略が原子レベルで解明されつつある。
自己スプライシング
自己スプライシングはイントロンが外部因子なしで自らを切除しエクソンを連結する反応である。チェックが報告したテトラヒメナGroup Iイントロンは外来GTPを利用する二段階ホスホジエステル転移で進行する。Group IIイントロンはラリアット中間体を介し、真核生物スプライソソームの祖先と考えられる。自己スプライシングはゲノムの可塑性やモバイルエレメントの拡散に寄与し、遺伝子進化を促進する因子とみなされる。改変イントロンは分子センサーや配列特異的切断ツールとしての応用研究も進められている。
RNAワールド仮説
RNAワールド仮説は、生命誕生初期にRNAが遺伝情報の保存と触媒機能を兼ねていたとする説である。リボザイムの発見は、このシナリオに分子レベルの根拠を与えた。実験進化系では自己複製リボザイムやRNAポリメラーゼリボザイムが作られ、原始的遺伝システムの再現が試みられている。地球化学的にはリボヌクレオチドの自発合成や脂質膜との共封入など未解決の課題が残る。RNAワールドは、その後DNAが情報保存、タンパク質が多彩な触媒を担う三者分業モデルへと発展したと考えられている。
ホスホジエステル結合
ホスホジエステル結合はDNA・RNAの3'炭素と5'炭素をつなぎ、核酸鎖の骨格を形成する。リボザイムが触媒する多くの反応はこの結合の切断または転移である。切断では2',3'-シクロリン酸中間体や五配位リン遷移状態が経由し、金属イオンが電荷を中和して反応を促進する。結合の化学的安定性は遺伝情報の保持に欠かせないが、可逆的な切断がRNAプロセシングやDNA修復を可能にする。生体外ではヌクレアーゼや化学試薬を用いて任意にこの結合を操作でき、分子生物学の基盤技術となっている。
二価金属イオン触媒
二価金属イオン触媒はMg2+やMn2+が負に帯電したリン酸骨格を中和し、遷移状態を安定化することで反応を促進する機構を指す。多くのリボザイムやリボソームがこの方式を採用し、金属結合水が求核剤となる場合もある。イオン配置はRNA折りたたみの鍵であり、配位幾何やイオン選択性が活性に大きく影響する。配列中の金属結合モチーフ保存度は機能予測や進化解析に利用される。金属依存性リボザイムはイオンセンサーや環境浄化触媒としての応用も検討されている。
テトラヒメナ・テルモフィラ
テトラヒメナ・テルモフィラは繊毛虫に属する単細胞真核生物で、核二形やテロメラーゼ研究など多彩な成果で知られる。チェックが研究したrRNA遺伝子イントロンはこの生物のマクロ核DNAに存在し、温和な条件で自己スプライシングする。テトラヒメナ由来酵素は高温耐性があり、リボザイム活性試験に適する。ゲノム解読によりイントロン分布や転移因子の動態が解析され、エピジェネティクス研究にも活用されている。教育現場でもモデル生物として扱いやすく、分子遺伝学の入門教材となっている。
Group Iイントロン
Group Iイントロンは自己スプライシング能力を持つイントロン群で、葉緑体・ミトコンドリア・核ゲノムに広く分布する。反応は外部グアノシンを核酸攻撃剤とする二段階転移で、内部ガイド配列とペアリングヘリックスが活性サイトを構成する。三次構造はP4/P6およびP3/P9ドメイン相互作用で安定化し、J8/7接合部がランドマークとなる。切除後にホーミングエンドヌクレアーゼ遺伝子を介して移動するものもあり、遺伝子流動性に影響を与える。進化的にはイントロン・エクソン構造の起源やゲノム革新に寄与した重要因子と考えられている。