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Evolutionary Adaptation of Bacterial proteomes to Translation-Impeding Sequences

藤原圭吾、辻奈緒子、崎山歌恋、仁木宏典、千葉志信（Keigo Fujiwara, Naoko Tsuji, Karen Sakiyama, Hironori Niki, and Shinobu Chiba）

The EMBO Journal (2025)

プレスリリース資料

細胞は、リボソーム上でアミノ酸をつなぎ合わせてタンパク質を合成します。細菌は短時間で多くのタンパク質を合成できるため、効率的に生育することが可能です。一方で、合成途中に現れる特定のアミノ酸配列が、リボソームを一時的に停止させる「難翻訳配列」として働く場合があり、大腸菌や枯草菌などの一部の細菌では、特殊な遺伝子発現制御系の中でいくつかの例が報告されています。

本研究では、ゲノム上に存在するタンパク質配列の中で、特定のアミノ酸配列の出現頻度を計算する独自のアルゴリズムを開発し、5万種を超える細菌を対象とした網羅的なゲノム解析を行い、難翻訳配列の探索を行いました。

その結果、地球上に生息する多様な細菌は共通して合成が困難なタンパク質のアミノ酸配列（難翻訳配列）を持つことが明らかになりました。さらに、難翻訳配列は、細菌のタンパク質内部にはほとんど見られないことが明らかになりました。これは、細菌が進化の過程で難翻訳配列の使用を回避する方向に適応してきたことを示唆しています。

一方で、比較的小さなタンパク質の末端（カルボキシ末端）付近に、難翻訳配列がしばしば存在することが分かりました。生物情報学的解析により、こうしたタンパク質群が、外部環境の変化に対して細菌が適応する上で、重要かつ多様な機能を果たしている可能性が示唆されました。

このように、一見すると細胞にとって不都合に思える難翻訳配列ですが、一般的にはタンパク質から進化的に排除される一方で、細菌はその特性を逆手に取り、特定の遺伝子発現の調節システムとして利用することで、環境変化へ適応するために役立てていることが明らかになりました。

本研究は、国立遺伝学研究所の藤原圭吾特命助教（JSTさきがけ研究員）がこの難翻訳配列の探索アルゴリズムを開発し、京産大チームと協力して研究を進めました。

図：多くの細菌において「タンパク質の合成を止めてしまうアミノ酸配列」のパターンを発見（左）。そのような配列パターンは、一般的には、進化の過程で排除されるが（右上）、一方で、細菌は、合成困難性を細胞の機能維持に役立てるユニークなしくみを進化させることもある。

小出研究室・マウス開発研究室

Chromosome-scale genomes of two wild flowering cherries (Cerasus itosakura and C. jamasakura) provide insights into structural evolution in Cerasus

Kazumichi Fujiwara, Atsushi Toyoda, Toshio Katsuki, Yutaka Sato, Bhim B Biswa, Takushi Kishida, Momi Tsuruta, Yasukazu Nakamura, Takako Mochizuki, Noriko Kimura, Shoko Kawamoto, Tazro Ohta, Ken-Ichi Nonomura, Hironori Niki, Hiroyuki Yano, Kinji Umehara, Chikahiko Suzuki, Tsuyoshi Koide

DNA Research(2025) , DOI:10.1093/dnares/dsaf031

日本の自然景観と文化を象徴するサクラ。その多様性や進化の歴史を理解するうえで基盤となるのが、野生種の高精度なゲノム情報です。しかし、日本に自生する主要な野生サクラの染色体レベルの網羅的なゲノムはこれまで存在せず、種間関係の精密な比較や園芸品種の起源解明には制約がありました。今回、国立遺伝学研究所と森林総合研究所を中心とする「サクラ100ゲノムコンソーシアム」は、日本を代表する野生サクラであるエドヒガン（Cerasus itosakura）とヤマザクラ（C. jamasakura）について、初の染色体スケールの高品質ゲノムを完成させました。 

得られた2種のゲノムは、どちらも極めて高い精度と完全性を備え、サクラ属の染色体構造を詳細に再現しています。比較解析の結果、両種は全体として強い遺伝子配列の保存性を示す一方で、重要な種間差として、エドヒガンの第8染色体に約1.84 Mb の大型逆位構造が存在することが明らかになりました。このような大規模な構造変化は進化の重要な手がかりであり、エドヒガン系統に固有の歴史的な染色体再編成を反映している可能性があります。また、rRNA 遺伝子クラスターの位置やコピー数の違いなど、染色体上の特定領域における種間差も確認され、サクラ属における染色体進化やゲノム多様性の形成過程について新たな視点を提供しました。

さらに、この新規データを用いて、日本を代表する園芸品種「ソメイヨシノ」のハプロタイプを再構築したところ、それぞれがエドヒガン系統とオオシマザクラ（C. speciosa）系統と高い類似性を示し、長年支持されてきた雑種起源説を染色体レベルで裏付ける結果が得られました。特に、従来のアセンブリでは不十分だった領域も高精度に比較できたことで、ソメイヨシノの遺伝的背景をより精密に描き出すことが可能となりました。

本研究は、サクラ属の進化、分類、形質多様性の理解を大きく前進させると同時に、園芸品種の育種研究や保全戦略の立案においても重要な基盤となるものです。日本の自然と文化の象徴であるサクラを科学的に支える、新たな大きな一歩となりました。

本プロジェクトには、遺伝研の藤原一道 特任研究員、豊田敦 特任教授、川本祥子 准教授、佐藤豊 教授、小出剛 准教授に加え、森林総研の勝木俊雄 博士、鶴田燃海 博士ら、多様な専門領域を持つ研究者が結集し研究を推進しました。

A、B: エドヒガンの花と樹木。C、D：ヤマザクラの花と樹木。E: エドヒガンとヤマザクラの染色体レベルゲノム構造。F: エドヒガンの8番染色体にみられる大型の逆位構造。この逆位は他のオオシマザクラ、ヤマザクラ、カンヒザクラにはみられない。

本研究は情報・システム研究機構戦略的研究プロジェクトの支援を受けて実施されました。

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Regulated TRESLIN-MTBP loading governs initiation zones and replication timing in human DNA replication

Xiaoxuan Zhu, Atabek Bektash, Yuki Hatoyama, Sachiko Muramatsu, Shin-Ya Isobe, Chikashi Obuse, Atsushi Toyoda, Yasukazu Daigaku, Chun-Long Chen and Masato T. Kanemaki

Nature Communications 2025 DOI: 10.1038/s41467-025-66278-7

プレスリリース資料

細胞が増えるとき、ゲノムDNAは正確に二倍に複製されます。このDNA複製の異常は、ゲノムDNAの変化を引き起こし、細胞老化やがん、遺伝性疾患などに関与します。そのため、「細胞がどのようにDNAを複製しているのか」を理解することは、生命現象や疾患、さらには進化を理解するうえで極めて重要です。

これまでDNA複製の研究は、大腸菌や酵母などの微生物を中心に進められてきました。これらの生物では、DNA複製が始まる場所（開始領域）はDNA配列によって決まっています。しかしヒトを含む多くの真核細胞では、どのDNA配列から複製が始まるのかがDNA配列によって決まっておらず、ヒトゲノムのどこで複製が開始し、どうやってその位置が選ばれるのかは長年の謎でした。

そこで、国立遺伝学研究所の筆頭著者・朱考軒（Xiaoxuan Zhu）博士研究員を含む鐘巻将人教授らの研究チームは、ヒト細胞ゲノム中のDNA複製開始領域を高精度に検出する新しい技術「LD-OK-seq法」を開発しました。さらに、この領域に結合するタンパク質を解析することで、ヒト細胞がどのように複製開始位置を決めているのか、その基本原理を明らかにしました。

その結果、ヒト細胞は転写している遺伝子領域を除けば、ほぼどこからでもDNA複製を開始できる能力を持つことがわかりました。この能力は、DNA複製に必要なMCMヘリカーゼという酵素がゲノム全体に広く結合していることに由来します。一方で、S期の初期には、転写している遺伝子の間の領域（遺伝子間領域）で複製が頻繁に開始されており、その場所はTRESLIN-MTBPというMCMヘリカーゼを活性化するタンパク質の結合によって決定されることがわかりました。さらに、TRESLIN-MTBPのMCMへの結合を調節する拮抗的な制御システムも発見しました。

これらの成果は、「ヒト細胞がどのようにゲノムDNAの複製を開始するのか」という根本的な疑問に答えるものであり、DNA複製異常によって起こるゲノム不安定性疾患（細胞死、がん、老化、遺伝疾患など）や、ゲノム変化を通じた進化の理解に新たな視点を与えます。また、将来的には、人工的にDNA複製を制御する新しい技術開発の基盤となることも期待されます。

本研究は国立遺伝学研究所の鐘巻将人教授の研究グループ、同研究所の豊田敦特任教授、大阪大学の小布施力史教授、公益財団法人がん研究所の大学保一グループリーダー、仏キュリー研究所のChun-Long Chen教授による国際共同研究によりおこなわれました。研究遂行にあたり、科研費（JP23H02463、JP21H04719, JP23H04925, JP25H00979）、先進ゲノム支援（JP22H04925 (PAGS)）、JST FOREST（JPMJFR204X）、JST CREST（JPMJCR21E6）、AMED ASPIRE（JP25jf0126015）による支援を受けました。

図: ゲノムDNAにはMCMヘリカーゼが転写している遺伝子以外の領域に広く結合しており、MCMヘリカーゼのリン酸化はリン酸化酵素DDKと脱リン酸化酵素RIF1-PP1により拮抗的に制御されている。リン酸化されたMCMヘリカーゼにTRESLIN-MTBP複合体が呼び込まれることで、複製開始する場所が決定される。