2009年ノーベル化学賞
受賞理由
リボソームの構造と機能の研究
受賞者
アメリカ合衆国, 
インド, 
イギリス
アメリカ合衆国
イスラエル
解説
私たちの体はタンパク質という小さな部品でできています。リボソームはその部品を作る細胞の工場です。今回の研究者たちは、その工場がどんな形をしていて、どうやって動くのかをとても詳しく調べました。彼らはリボソームの写真を原子レベルで撮ることに成功し、タンパク質が一つずつ作られる様子を明らかにしました。これにより、病気を治す新しいくすりを作る手がかりも得られました。
関連キーワード
リボソーム
リボソームは細胞内でタンパク質合成を行う巨大なリボ核タンパク質複合体で、細菌では70S、真核生物では80Sと分類されます。構造的には小サブユニットと大サブユニットに分かれ、それぞれがmRNAのデコーディングとペプチド結合形成を担当します。成分の約3分の2はリボソームRNAで、残りが数十種のリボソームタンパク質で構成されています。2000年に報告された高分解能構造は、リボソーム自体が触媒活性を持つリボザイムであることを示しました。抗生物質の多くは細菌リボソームを標的とし、人のリボソームとはわずかな差異を利用して選択的に作用します。これらの特性は進化学や創薬の両面で重要な研究対象となっています。
X線結晶構造解析
X線結晶構造解析は、タンパク質や核酸の三次元構造を原子レベルで決定する代表的な構造生物学手法です。試料を規則正しく配列させた結晶にX線を照射し、散乱パターンを解析して電子密度マップを得ます。位相問題を解決するためには多波長異常分散法や重原子含浸法などが用いられます。リボソームのような超巨大複合体では、極低温での回折データ収集や放射線損傷の抑制が不可欠でした。2000年前後の技術革新により分解能3Å以下のデータが得られ、リボソーム研究は飛躍的に進みました。現在も薬剤設計や分子メカニズム解明の基盤として活用されています。
rRNA
リボソームRNA（rRNA）はリボソーム質量の大部分を占める長鎖RNAで、構造の骨格と触媒活性の両方を担います。16S rRNAは小サブユニットでmRNAとtRNAの正確な塩基対合を検証するデコーディングセンターを形成します。23S rRNAは大サブユニットのペプチジルトランスフェラーゼ中心を構築し、アミノ酸間のペプチド結合生成を触媒します。高次構造にはヘリックス、ループ、ステムが複雑に組み合わさり、Mg2+イオンによって安定化されています。rRNAの保存性は系統解析の指標ともなり、進化の歴史を読み解く手掛かりを提供します。
翻訳（タンパク質合成）
翻訳は、mRNAのヌクレオチド配列をアミノ酸配列へと変換する生命の中心過程です。開始、伸長、終結の三段階からなり、各ステップごとに専用の因子（IF、EF、RF）がエネルギー分子GTPを利用して進行を制御します。リボソームはmRNAを3塩基ずつ読み、対応するtRNAが運ぶアミノ酸を順番に結合してポリペプチド鎖を伸長させます。1本のmRNAに複数のリボソームが同時に乗るポリソームが形成され、タンパク質生産効率を高めます。翻訳の誤り率は約10^-5と極めて低く、細胞は厳密な品質管理メカニズムを備えています。
ペプチド結合
ペプチド結合はアミノ酸同士をつなぐ共有結合で、タンパク質の主鎖を形成します。リボソームのペプチジルトランスフェラーゼ中心（PTC）で起こり、アミノアシルtRNAのα-アミノ基がペプチジルtRNAのエステル結合を攻撃する求核反応によって生成されます。PTCは完全にrRNAで構成され、タンパク質は直接反応には関与しません。反応は水素結合ネットワークとMg2+イオンによって位置合わせと電荷中和が行われ、約20回/秒の速度で進行します。ペプチド結合形成を阻害する抗生物質（クロラムフェニコールなど）は細菌のタンパク質合成を停止させることで殺菌効果を示します。
抗生物質
抗生物質は細菌の増殖を阻害または殺菌する化合物で、多くがリボソームを分子標的とします。マクロライド、アミノグリコシド、テトラサイクリンなどの系統はそれぞれ異なる部位に結合し、翻訳の別々の段階を妨害します。例えばアミノグリコシドはデコーディングセンターを変形させ誤訳を誘発し、マクロライドは出口トンネルを塞いでポリペプチド伸長を止めます。近年の耐性菌拡大は、薬剤結合部位の変異や薬剤排出ポンプによるものです。リボソームの原子構造は、耐性を回避する新規抗生物質の合理的設計に不可欠な情報を提供します。
tRNA
転移RNA（tRNA）はmRNAのコドンをアミノ酸に対応付けるアダプター分子で、およそ76ヌクレオチドから成るクローバー葉構造を持ちます。3'末端にはアミノ酸がエステル結合で結合し、アンチコドンループはリボソーム内でmRNAと塩基対合します。tRNAはAサイト、Pサイト、Eサイトを順に移動し、アミノ酸を引き渡してからリボソームを離脱します。アミノアシルtRNA合成酵素が正しいアミノ酸を結合させることで翻訳の正確性が保証されます。特定のtRNAを模倣するウイルスや毒素は翻訳を攪乱して宿主細胞にダメージを与えることがあります。
リボザイム
リボザイムはRNA自身が触媒活性を持つ酵素様分子で、ペプチジルトランスフェラーゼセンターなどが代表例です。リボザイムの存在は、生命初期にRNAが遺伝情報の担い手であると同時に触媒でもあったとするRNAワールド仮説を支持します。触媒作用は金属イオンや複雑な折りたたみ構造によって促進され、タンパク質酵素に匹敵する高い特異性を示すこともあります。研究者は人工的なリボザイムを選択・進化させ、遺伝子操作や分子診断ツールとして利用しています。リボソームの活性中心がリボザイムであるという発見は、タンパク質合成メカニズムの理解に革命をもたらしました。