The Diverse Functions of Synthetases

Aminoacyl tRNA synthetases are crucial player in protein synthesis, linking tRNAs to the amino acids dictined by the codon sequence. すべての AARS はまた、さまざまな in vitro および in vivo のシステムで、多くの身体システムにおいてタンパク質合成以外の役割を果たすことが分かっています。 この表は、よりよく研究された例のサンプリングを含みます。

METABOLISM

• LeuRS、ロイシンの合成酵素は、アミノ酸ロイシンの細胞レベルの感知経路に参加しています。

VASCULATURE & ANGIOGENESIS

• チロシン合成酵素TyrRSのフラグメントは血管新生を促進します。
• トリプトファン合成酵素であるTrpRSは、内皮細胞が血管を連結して構築するために使用する分子
  をブロックすることによって、血管新生を制限します。
• SerRSはセリンの合成酵素で、VEGF-Aの発現を低下させ、
  発達中の過剰血管形成を防ぐ。
• GluProRSはグルタミン酸とプロリンのAARSを含む単一のタンパク質で、
  VEGF-Aの翻訳を阻害し血管に影響力を与える。

Cell CYCLE & TUMORIGENESIS

• GluProRSのVEGF-Aに作用すると腫瘍増殖も促進される。
• GlnRSは、グルタミンの合成酵素で、腫瘍形成とストレス応答を制御する酵素のプロアポトーシス経路をブロックします。
• TrpRSは、2つの核タンパク質を橋渡しして、細胞周期制御因子と腫瘍抑制因子p53の産生を活性化させる働きをします。

IMMUNITY, INFLAMMATION, & INFECTION

• LysRS、リジンの合成酵素は免疫制御に関わる遺伝子の転写を活性化する分子合成の手助けをする。
• HIV感染時、LysRSは新しいウイルス粒子にパッケージされ、その同族tRNAを送達できるようにし、これは新たに感染した細胞で逆転写のためのプロモーターとして使用される。
• GluProRSは炎症に関わるmRNAの翻訳を抑える。
• TyrRSフラグメントは炎症サイトカインとして作用する。

MOONLIGHTING ENZYMES

Aminoacyl-tRNA synthetases は、タンパク質翻訳において、転移 RNA をその同族アミノ酸に結びつけるという基本的な役割を担っている。 しかし、この合成酵素（AARS）は、何億年も前から存在し、いくつかの副業をこなしてきました。 407>

脊椎動物の循環系の発達には、複数のAARSの役割があることが分かっています。 発生過程では、セリン酵素SerRSが血管内皮増殖因子A（VEGF-A）の発現を抑制し、過剰な血管形成を防ぐ。

さらに、グルタミン酸とプロリンの複合合成酵素GluProRSが他のタンパク質と連携してインターフェロン-γ activated inhibitor of translation (GAIT) complexを形成してVEGF-Aの翻訳をブロックしている。

トリプトファン合成酵素TrpRSの一部も、内皮細胞上のVE-カドヘリン受容体と結合してブロックし、血管内皮が連結して形成できないようにして、血管新生の抑制に寄与しています。

一方、チロシン合成酵素TyrRSの断片は、それらの内皮細胞の移動を刺激することによって血管の成長を促進するようである。

これらの機能は進化の中でいつ生じたのか

スクリップス研究所の生化学者ポール・シンメル氏によると、このような仕事をする付属ドメインが加わることは、循環の進化における大きな出来事と並行しているとのことです。 現代の脊椎動物に存在する内皮を持たない最初の血脈系は、おそらく7億年から6億年前頃に脊椎動物と節足動物の共通祖先において生じたと考えられています。 この頃、TyrRSはグルタミン酸-リジン-アルギニンのモチーフを獲得し、今日、血管新生を促進すると考えられている。 その後、5億4千万年から5億1千万年前に、脊椎動物の祖先は、内皮で覆われた血管の中を血液が流れる閉鎖血管系を進化させた。 5億年前の同じ時期に、TrpRSはWHEPドメインを獲得し、現在では血管新生を阻止する能力を制御している。 一方、GluProRSの血管新生における役割は、血管系の進化とそれほど正確に一致していないようである。 グルタミン酸とプロリン酵素のAARSを結びつけるリンカータンパク質は、循環系が存在する以前の約8億年前に存在していた。

00-600 MYA

• 節足動物や脊椎動物の共通祖先に原始的な循環系が出現する。 内皮の並んだ血管はまだ存在しない。
• TyrRS は今日、血管新生を促進するドメインを獲得する。
  

  540-510 MYA

  • 内皮細胞の並んだ血管のある閉鎖循環系は、脊椎動物の祖先に出現する。
  • TrpRS は現代の動物で血管新生をブロックするドメインを獲得します。
  • SerRS は今日、ゼブラフィッシュやおそらく他の脊椎動物で血管の発達を制御するドメインを獲得します。 WEB｜PDF｜1037ページ
    

    血管形成とその先

    若杉教授らが発見した TyrRS と TrpRS の機能は興味深いものでしたが、その酵素断片が生体内で本当にその機能を発揮しているかどうかは明らかでありませんでした。 ヤンは、AARSの非正規機能に関して自分自身や他の科学者に自信を持たせるには、それらが動物に存在するという証拠を見つけなければならないと考えた。

    チームはまだTrpRSやTyrRSについてはそれを達成していないが、若杉はセリン酵素のSerRSでその機会を見出した。 SerRSに変異があると、血管の発達に欠陥があることが、ゼブラフィッシュを用いた複数の遺伝子スクリーニングで確認されていた。 しかし、この酵素がtRNAとアミノ酸を結合させる能力を失った変異では、そのような欠陥は生じず、何か別のことが起こっていることが示唆された。 ヤン教授のチームは、2005年にスクリプス大学の教員となり、現在はシンメル教授と研究室を共有している。彼女は、UNE-S内の核局在配列をすばやく特定し、このシグナルを変化させた変異がゼブラフィッシュ胚の血管障害を引き起こすことを突き止めたのである。 その結果、核内では、SerRSが血管内皮増殖因子A（VEGFA）の発現を抑えているようであることが判明した。 この研究は2012年に発表され、生きた動物においてAARSのアクセサリードメインが本質的かつ自然な役割を果たすことを示した初めての例となった。 その直後、研究チームは、核内SerRSが、VEGFA遺伝子の発現を通常促進する転写因子であるc-Mycと競合・干渉することによって、VEGFAをブロックすることを報告した

    一方、SchimmelとYangのグループは、これらの酵素の副作用をさらに発見しながら、TrpRSとTyrRSの非正規機能を説明しようとし続けている。 楊は、TrpRS断片の構造と機構に関する研究を主導した。 このドメインは、トリプトファン（W）、ヒスチジン（H）、グルタミン酸（E）、プロリン（P）のアミノアシルtRNA合成酵素や、グリシン、メチオニン酵素に存在することからこう呼ばれている。 楊教授のチームは、細胞外のプロテアーゼによってキャップが外されると、TrpRSがVE-カドヘリンという細胞内受容体に結合することを見いだした。 具体的には、受容体中のトリプトファンがTrpRSの活性部位に入り込み、結合を形成しているようだ。 そのため、若杉教授は、完全なTrpRSではなく、この断片だけが血管新生を阻害することを見出したのである。

    さらに最近、シンメル教授は、赤ワインに含まれ、酸化ストレスに対抗すると考えられているレスベラトロールなど、植物由来のアミノ酸様化合物にも関心を寄せている。 レスベラトロールとチロシンは、どちらもフェノール環を含むという点で似ており、レスベラトロールが酸化促進遺伝子と抗酸化遺伝子の発現に影響を与えるためには、この点が重要である。 2015年、Schimmelのチームは、ストレス条件下で、TyrRSがヒト培養細胞や生きたマウスの核内に移動し、そこに存在するあらゆるレスベラトロールがTyrRSの活性部位にきれいにはまることを報告した。 これにより、チロシン分子を適切なtRNAに結合させるという、通常のTyrRSの触媒作用が停止する。 その代わりに、TyrRSは、DNA修復に関与する酵素であるPARP-1の活性化を促す。

    数年後、研究チームは、TyrRSの代替スプライシングバージョンがマウスや培養細胞の血小板増殖を促進することを発見し、血小板数が少ない人の治療に使えるかもしれない、と考えた。 「私たちは、学ぶべきことの表面をやっとこさ掻いているに過ぎません」と彼は言います。 「AARSの非正規機能の証拠がSchimmelの研究室から次々と出てくる中、Cleveland ClinicのLerner研究所の生化学者Paul Foxは、マクロファージにおける炎症の制御を研究していました。 具体的には、マクロファージがインターフェロン-γというサイトカインにさらされたときに生成される複合体について研究していたのである。 マクロファージ内で生成されるGAIT（interferon-γ activated inhibitor of translationの略）と呼ばれるタンパク質複合体は、炎症に関連するmRNAに結合し、これをブロックする。 この複合体の中には、グルタミン酸とプロリンのAARSを含む酵素であるGluProRSが含まれていることが判明した。

    「私たちは、まったくの偶然にこの酵素に出会ったのです」とFox副TLは振り返る。 「興味深い酵素だとは思いませんでした」とフォックスは振り返る。 しかし、彼はシンメルの研究を知っていたので、電話を取ってスクリプス大学に電話しました。

    電話が始まって1分後、シンメルは、シンメルがAARSの研究で最もエキサイティングだと言う、非正規機能という分野にフォックスを迎えるために口を挟みました。 シムメル氏は、フォックス氏に援助を約束したという。 「それ以来、彼は大きな支援者であり、友人でもあります」。 現在、韓国の延世大学にいる元シンメル研究所のポスドク、Sunghoon Kimが提供したツールを使って、フォックスのチームは、インターフェロン-γが、GluProRSをリン酸化させ、翻訳中のポストを放棄し、他のGAITメンバーと合流して炎症タンパク質の生産を停止させることを発見しました

    約8億年前にグルタミン酸およびプロリン合成酵素がペアになる理由は不明ですが、フォックスが仮説を立てて、2018年にそれを発表しています。 プロリンはグルタミン酸から合成されるが、進化のその時期に、新興の動物タンパク質はより多くのプロリンを含むようになったのである。 そのため、利用可能なプロリンをすべて吸収してしまうProRSの生産量が増加し、グルタミン酸からより多くのプロリンを作る必要があったのかもしれません。 その結果、グルタミン酸が不足し、タンパク質の合成に支障をきたすようになったのではないでしょうか。 「その解決策として、2つの合成酵素を1つの遺伝子に融合し、同じ量を作らせるようにしました」とフォックスは言う。 「2つの合成酵素の間のリンカーは、GAIT複合体の活性に不可欠であり、標的RNAに結合する3つのWHEPドメインでできています。 Foxは、リンカーが出現した後しばらくして、細胞がそれを利用して炎症を制御するようになったと推測しています。

    さらに最近、Foxのチームは、GAIT経路がマクロファージ以外の細胞でも機能するかもしれないと考えました。 研究チームが脂肪細胞を調べたところ、インスリン治療によってGluProRSがリン酸化され、タンパク質合成装置から離れることがわかった。 しかし、GluProRSは他のGAITパートナーには加わらなかった。 代わりに、脂肪酸輸送タンパク質1（FATP1）と呼ばれる、通常は細胞質タンパク質とペアを組むのである。

    私は、数十年前に始めたときと同じくらい、あるいはそれ以上に、この酵素に興奮しています。 脂肪酸貯蔵能力が低いため、このマウスは痩せており、体重は対照動物より約15％～20％少なかった。 さらに、寿命も4ヵ月近く延び、15%ほど寿命が延びた。 人間で同じように寿命が延びれば、10年以上に相当する。 「もし、そのリン酸化部位を標的にできれば、寿命を延ばすことができるかもしれません」とフォックスは言う。 407>

    医薬品開発

    従来の役割を超えてAARSが担うさまざまな仕事の中で、Schimmelたちは、細胞や身体を安定に保つというテーマを見いだしています。 現在、アティア・ファーマの研究シニアディレクターを務めるシメル研究室の元学生、レスリー・ナングルは、「彼らは、より恒常性を回復させる調節的な役割を果たしているように見えます」と言う。 多くの研究者は、このような必須酵素に手を出すのは危険だと考えています。しかし、キムとシンメルは、AARSをターゲットにして病気を治療できる可能性を見出しています」と言う。 キム氏とヤン氏が共同設立したaTyr社は、酵素そのものを生物学的な治療薬にすることをめざしている。 さらに、ソウルでは、キムが非営利の創薬組織であるバイオコンを指揮し、研究者がAARSと相互作用するいくつかの小分子と、天然のAARS変異体に基づく生物製剤を開発している。

    バイオコンは現在、心臓線維症、円形脱毛症（脱毛を引き起こす自己免疫疾患）、および炎症を治療するための分子をテストしています。 現在フェーズ1試験中の線維症治療薬は、プロリン合成酵素上の、アミノ酸をそのtRNAに結びつける部位を標的としています。 線維症は、コラーゲンの蓄積によって引き起こされ、コラーゲンの3分の2はプロリンです。 バイオコンの研究者たちは、薬物がこの活性部位を狙い、健康な培養細胞で、他のタンパク質の合成や細胞増殖に大きな影響を与えずに、正常な機能を90％以上ノックダウンできることを発見した、とキムは言う。 当初、キム博士と彼の同僚たちは自分たちの研究結果を信じていなかったが、今では、この研究結果に意味を見出すようになった。 「正常な細胞は、必ずしも常に高レベルのタンパク質合成を行っているわけではないのです」と彼は言う。 “ある程度の残存活性がある限り、正常な細胞は完全に幸福であることができるのです。”

    癌やその他の症状に対して、バイオコン社は、tRNA-アミノ酸連結部位を避けるか、分泌型AARSの細胞外活性を標的とする低分子候補を開発しており、タンパク質合成に影響がないはずであることを意味しています。 同様に、aTyr社の研究者は、AARS誘導体そのものをベースにした同社の治療薬が比較的安全であることを期待している。 「407>

    

    発生中のマウス網膜では、制限タンパク質キャップを失ったトリプトファン合成酵素TrpRSの断片（B、C）が、二次組織層（右）の血管形成を妨げています。 (右の画像は、左で示されている隣接する一次層の影を含む。)

    PNAS, 99:178-83, 2002, © 2002 NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES

    Nangle たちは、香港の aTyr の子会社 Pangu Biopharma とともに、天然の AARS スプライシング変異体のカタログから始めて、ヒト細胞を用いた各種アッセイで興味深い生物活性についてそれらをスクリーニングしています。 そして、細胞増殖と保護、免疫調節と炎症、細胞分化、転写調節、コレステロール輸送などに効果があるかどうかを調べた。 「私たちは、そこに何らかの治療効果があるはずだと考えたのです」とSchimmelは言う。

    現在、aTyr社は、ヒスチジン酵素HisRSのWHEPドメインに基づく免疫調節剤を追求しています。 ヒトT細胞培養において、完全長のHisRSは活性化した細胞を静め、サイトカイン産生を減少させた。 さらなる実験では、WHEPドメインが免疫細胞のレセプターと結合して活性を低下させることを発見した。 同社は、HisRS WHEPペプチドを血流中で長持ちさせるために少量の抗体に結合させた改良型が、サルコイドーシスという炎症性疾患でも同じように沈静化効果を発揮することを期待している。 この病気は様々な臓器、特に肺に影響を与え、時には免疫抑制効果のあるステロイド剤による生涯治療を必要とすることもある。 これらの薬には、不眠症から緑内障、感染症に至るまで、悲惨を誘発する危険な副作用のリストが付属しています。

    aTyrは、2017年、2018年、2019年の米国胸部学会で、炎症性肺疾患のいくつかの動物モデルからの結果を発表し、これらの知見は、同社の候補1923が有望であることを示唆しています。 例えば、抗がん剤ブレオマイシンは肺の損傷を引き起こしますが、HisRSまたはそのWHEPドメインは炎症と線維化を抑制しました19。 ブレオマイシンで治療したラットは、損傷した肺を補うために素早く呼吸しますが、1923で治療したものは通常の呼吸速度を回復しました407>

    aTyr社の1923はすでに赤旗なしに健康人での安全性に関する第1相試験を通っているのです。 現在、同社はサルコイドーシス患者を対象とした第1/2相試験を実施しており、安全性の確認、適切な投与量の決定、そしておそらく有効性の兆候を確認しようとしている。 患者はステロイドを服用した状態で試験に参加し、試験中にステロイドの投与量を漸減させることが目的です。 1923を投与された患者は、症状が変わらないか改善することが期待され、プラセボを投与された患者は、ステロイドの投与量が減少するにつれて症状が悪化することが期待されます。

    プラセボ群に入ると症状が悪化するというリスクを冒しても、ボランティアが喜んで参加するということは、新しい治療法の必要性を証明していると、クリーブランド・クリニックの呼吸器内科医であるダニエル・カルバーは言う。 カルバーは、患者の一人が自分の処方したステロイドを「悪魔の薬」と呼んでいることを指摘し、「それは良いことと同じくらい害を及ぼすからだ」と言う。 「人々は、何か違うものを見つけようと、とても、とても意欲的なのです」。

    この研究は36人の参加者を登録する予定ですが、COVID-19の危機によって遅れています。 サンプル数が少ないため、Culver氏は「ホームラン」は期待していないが、より大規模な第3相試験に着手するには十分なデータであることを期待しているという。 キム博士の考えでは、AARSは、がんから新型コロナウイルスまで、恒常性を脅かすあらゆるものに対応する準備ができており、待ち望まれている。 私は合成酵素を “モレキュラー911 “と名付けました」。

    訂正（2020年6月2日）。 本記事の表の原文では、HIV感染時にリジン用合成酵素（LysRS）が新しいウイルス粒子にパッケージされ、そのUUU配列を使って新たに感染した細胞で逆転写を促すと記載されていた。 しかし、実際には、ウイルス粒子はLysRSを利用して同族のtRNAを運搬し、それを逆転写のプロモーターとして利用するのです。 The Scientistはこの誤りを遺憾に思う。