〜長期記憶、ALS、認知症に関わるタンパク質による液相・固相RNA顆粒の形成〜生物は膜で仕切られる(区画化される)ことで出来ています。体を構成する細胞も、細胞内に存在する核も、膜で覆われることで区画化されています。近年、膜によらない全く新しいタイプの区画化が知られるようになりました。それは、液−液相分離という仕組みで、水中に油が溶けずに油滴ができるのと同じように、異なる組成の水溶液同士が分離して液滴を形成する現象です。液−液相分離で作られる細胞内構造の代表例は、ニューロンに多く存在するRNA顆粒です。(ALS)や認知症を引き起こすことが分かってきました。基礎生物学研究所/生命創成探究センターの椎名伸之准教授は、RNA顆粒の構成成分であり、長期記憶に必須であることやALS・認知症の原因に関与することが知られるタンパク質を含む8種類のタンパク質の性質を調べ、それらがRNA顆粒の液相構造を作るタンパク質と固相の種を作るタンパク質の二群に分けられることを発見しました。液相構造を作るタンパク質を細胞内で増加させることによって、固相の種を液相状態に近づけられることを見出しました。長期記憶に必須のタンパク質RNG105は、強い液相の性質、すなわち、固相の種を液相に近づける性質を持つことが分かりました。今回明らかにしたタンパク質群の特性は、長期記憶形成やALS・認知症の仕組みを理解する上での基盤となる知見です。Chemistry(先行電子版)に2019年1月3日にオンライン掲載されました。研究の背景RNA顆粒は伝令RNAを取り込み、多くの伝令RNAの翻訳を抑制しつつ、特定の伝令RNAの翻訳を活性化するといった翻訳制御を行う構造体です。RNA顆粒は特にニューロンに多く存在し、シナプス強化や長期記憶の形成に関わっています。)につながることが分かってきました(図1)。(ALS)や認知症に関わるRNA顆粒は液−液相分離によって形成される液滴で、その内部には凝集化の種というべき固相部分が含まれています。通常はこの液相と固相が平衡を保ち、凝集化することはないと考えられます。液相と固相がどのような仕組みで形成されるのか、例えば、固相は液相が単に濃縮しただけなのか、あるいは両者は異なるタンパク質によって形成されるのか、さらに、なぜ固相化が亢進せずに平衡を保っているのかは未解明の問題として残されていました。そこで本研究では、細胞内におけるRNA顆粒の液相および固相状態を判定する方法を開発し、RNA顆粒の形成に関わる8種類のタンパク質が細胞内でどのようなRNA顆粒を形成するのか、さらに、互いの液相、固相状態や翻訳制御にどのような効果を及ぼし合うのかを解析しました。研究の成果RNA顆粒の形成に関わることが知られている8種類のタンパク質を緑色蛍光(GFP)標識し、培養細胞に導入しました。TDP-43の3種類は液相のRNA顆粒を形成し、他のタンパク質は固相のRNA顆粒を形成することを明らかにしました。1.RNA顆粒の形態:液相顆粒は表面張力による表面積最小化の作用により、スムースな表面形態をとる。固相顆粒は小さな「種」の集合体であり、ゴツゴツとしたラフな表面形態をとる(図2)。図2:液相顆粒および固相顆粒の形態RNG105は液相顆粒を、FUSは固相顆粒を形成する。点線は細胞の核および細胞膜。四角で囲ったRNA顆粒の拡大図を右上に示す。スケールバーは10μm。2.細胞膜透過処理後のRNA顆粒の挙動:細胞膜透過により、細胞質の濃度が低下する。その結果、細胞質と液相顆粒との間の濃度平衡の崩れにより、液−液相分離が保てなくなるため、液相顆粒は収縮または溶解する(図3)。固相顆粒は濃度平衡の崩れの影響が小さく、形態を維持する。3.RNA顆粒の不動性画分:液相顆粒内では分子が混合し、顆粒表面に来た分子は細胞質との間で行き来(交換)が可能である。分子の混合は起こりにくく、顆粒深奥部にある分子は細胞質と交換できず、不動性画分が多い。RNA顆粒の経時的変形:液相顆粒は、表面張力が大きい場合は球形化しようとする力が大きく、外力に対して変形しにくいが、表面張力が小さい場合は変形しやすい。固相顆粒は、外力に対して常に変形しにくいという個体の性質を示す。図3:細胞膜透過処理後の液相顆粒および固相顆粒の挙動RNG105が形成した液相顆粒は収縮するが、FMR1が形成した固相顆粒は形態を維持する。四角で囲った部分の画像の明度を上げても、150秒後のRNG105顆粒はサイズが小さく、収縮したことがわかる(右上図)。スケールバーは10μm。液相顆粒を形成するタンパク質と固相顆粒を形成するタンパク質を組み合わせて同時に細胞に導入すると、両者は同一のRNA顆粒に集積しつつ、異なる構造を作りました。液相タンパク質は混合性の高い液相顆粒を形成し、固相タンパク質はその内部に固相の種を形成しました(図4)。この結果から、RNA顆粒の固相の種は液相構造が単に濃縮したものではなく、それぞれの構造が異なるタンパク質によって作られることが示唆されました。図4:液相タンパク質(RNG105)と固相タンパク質(FUS)は同一顆粒に集積し、それぞれ液相構造と固相の種を形成する右図は四角で囲った部分の拡大。