Viva Origino 33 (2005) 208 - 234

Session 4 : From Molecules to Life-Like Systems & RNA World( “分分子から生命システムへ”および“RNA ワールド”)
澤井宏明１，川村邦男２１群馬大学工学部応用化学科 〒376-8515 群馬県桐生市天神町 1-5-1
２大阪府立大学大学院工学研究科 〒599-8531 大阪府堺市学園町 1-1

生命の起源の分子機構を解明する研究の核心はどのような関係にあるか？の一つは，遺伝子からタンパク質への情報の受

５． RNA ワールドから次の段階へとどのよけ渡しの機構がどのようにできあがったのかをうに移行したか？

解明することであろう．言い換えると，最初の遺伝物質は何か，その遺伝情報はどのような機惑星学あるいは地球科学の知識に基づいて原始能を保持したか，そして遺伝子を翻訳し機能を的な環境をシミュレーションする化学進化実験発現した情報の流れの仕組みがどのようなものはこれらの問題に取り組むための方法であるが，であったのかを解明することである．DNA から

ここでは分子から生命システムを構成する新しタンパク質へと情報が伝達され翻訳される仕組いアプローチ法に注目したい．例えば，1990 年

みは大変複雑であるばかりか，その起源を遡る代初期のほぼ同時期に Elligton と Szostak，と「DNA が先か，タンパク質が先か」という問

Tuerk と Gold，および Joyce らの３つのグル

題に行きつく．RNA ワールド仮説はこれらを解ープによって RNA の in vitro selection 法（あ決する仮説として登場し，生命の起源の中心的るいは SELEX）が発表された．この方法はラな課題としてこの２０年間に多くの研究が行わンダムな塩基配列をもつ RNA の分子集団かられた．しかし RNA ワールド仮説が提案された

特定のタンパク質に結合する RNA 分子あるいことで生命の起源の問題が解決されてしまったは人工リボザイムなどを進化工学的に創り出すわけではなく，RNA ワールド仮説もまた様々な方法である．この方法によって様々な人工リボ問題を含んでいる．例えば以下のような問題がザイムが生みだされ，またタンパク質の in vitro

あげられるであろう．

selection などへと発展した．これらの新しい技術の展開は分子生物学的手法の発展によるとこ

１． RNA は原始的な環境で化学進化によっろが大きいが，生物進化を工学的に利用するあて生成したか？

るいは生命を構成的にとらえるという思考法が

２． RNA はどの程度多様な反応を制御でき背景にあるということが重要である．これらのたか？

技術の注目すべき点は，生物進化に必要な要素

３． RNA ワールドと生命の熱水起源との関である増幅，選択，変異に相当する技術的要素

係はどのようなものか？

を含んでい ることである．す なわち in vitro

４． RNA ワールド仮説と光学活性の起源と

selection 法と生物進化との間にはアナロジーが- 216 -Viva Origino 33 (2005) 208 - 234ある．従ってこの種の新しいアプローチ法を使（デオキシチミジン 5’-トリリン酸）と同様にって生命を研究することは生命の起源の新しい用いていた可能性をうかがわせるものである．

モデルや手がかりを与えてくれるだろう．この本セッシヨンの２番目の一般講演は川ような観点から，本シンポジウムでは RNA ワ

村 邦 男 氏 （ 大 阪 府 立 大 学 ） に よ る “ Possibleールドや分子から生命を構成する研究を行ってpathway before and after the RNA world on

いる方々に講演をお願いした．

the basis of experimental and theoretical

このシンポジウムの招待講演に先立っevidences” という演題での講演であった．生て２件の一般講演が行われた．最初の一般講演

命の起源の過程で RNA が生体情報の保持と同は澤井宏明氏（群馬大学）によって“Differences

時に触媒作用をになったと言う RNA ワールド

in substrate specificity of C5-substituted説が有力な仮説として提唱されている．また，

cytidine derivatives by DNA polymerases

最初の生命は熱水条件で生まれたという仮説がfromand提唱されている．そこで，川村氏は高温の水溶archaea”という題目で行われた．生物の遺伝液中での RNA の前生物的合成の可能性あるい情報を担う物質は DNA と RNA であり基本構造は RNA の熱水条件下での安定性を実験的に調はよく似ている．DNA の糖の部分はデオキシリ

べた結果を述べた．RNA は高温水溶液中では非ボースであり RNA ではリボースである．また，常に不 安定で分解 しやすい 事を示した ．また４種類の塩基のなかでＧ（グアニン），Ａ（アデRNA の分解のしやすさは，分解と生成，酵素反ニン），Ｃ（シトシン）は DNA と RNA とで共応と非酵素反応という２つの視点から相対的に通に用いられているが，DNA ではＴ（チミン）評価すべきであることを述べた．その結果に基を RNA ではＵ（ウラシル）が用いられている

づくと，RNA 単独では高温条件下で RNA に基点が違っている．ではなぜ DNA ではピリミジづく生命システムの構築は不可能である．RNAン C-5 位がメチル基に置換されたＴをＵの代わとタンパク質様の物質など何らかの物質との相りに使っているのだろうか，あるいはなぜＣの互作用により生命の構築がなされ，情報と触媒

C-5 位を置換した塩基が DNA では採用されな作用などの機能とを併せ持つ生命システムが出かったのか．これらのことは最も古い時代の生来たのではないかという仮説が述べられた．

hyper

thermophilic

bacteria

物進化と関係がありそうである．そこで澤井氏

引き続いて，菅裕明氏（東京大学）には好熱性細菌あるいは好熱性古細菌の DNA ポより“Artificial evolution of RNA catalysts:リメラーゼを用いて C-5 位を人工的に置換した

Filling a gap between the RNA world and thedCTP がどの程度 PCR 過程で取り込まれるかにnext world” という演題で本セッシヨンの最初ついて述べた．その結果，好熱性細菌起源であの招待講演がなされた．最初に１９８０年代初る B ファミリーDNA ポリメラーゼを用いると期の Altman ら及び Czech らによる天然に存在C-5 修飾 dCTP（デオキシシチジン 5’-トリリする触媒作用を持つ RNA(リボザイム)の発見と，ン酸）がある程度取り込まれることが分かった．

その後の天然に存在するリボザイムの研究の紹

この事実は，現存生物の最後の共通の起源

介がなされた．この触媒作用を持つ RNA の発（LCA）は DNA は 5-CH3 置換 dCTP を dTTP

見に基づき，生命の起源の過程で RNA が単独- 217 -

Viva Origino 33 (2005) 208 - 234
で重要な役割を果たしたという RNA ワールド

るいはそれらの構成するネットワークを生命と説が提唱されたが，天然に存在するリボザイム呼べるかどうかなどについては，生命の性質あでは触媒作用は限られたものであるという話がるいは生命の起源を明らかにするために古くかあった．１９９０年代になって，多くの配列のら研究されてきた．Andras 氏はそのモデル化

異なった RNA のライブラリーから特定の触媒の 方 法 と し て ， “ abstract communication

作 用 を 持 つ RNA を 選 択 し て い く in vitrosystems”の有用性について注目して“Proteinselection 法が開発されて，種々の触媒作用を持Interaction World”仮説（PIW 仮説）を提唱

つリボザイムが得る事が可能になったという歴

し，タンパク質ワールドが RNA ワールドに先史的な話があった．ついで，菅氏の研究室でなんじて現れたということを述べた．“abstractされた in vitro selection 法による酸化還元作用communication systems ”は， 例えばタ ンパを持つリボザイムの研究の紹介があった．最後

ク質のようなものが構成する触媒反応ネットワに菅氏らの最近の研究である t-RNA のアミノークを考えるとき，その触媒関係に注目しそれアシル化を触媒するリボザイム，さらにはリボを起こす物質そのものは無視するという数学的ザイムの関与したペプチド合成についての話がな記述方法に基づいている．PIW 仮説によると，あった．リボザイムによるアミノアシル化，ペRNA 分子は原始的なタンパク質もどきの触媒反プチド合成は RNA ワールドから RNA-タンパ応の相互関係の記憶であり，DNA 分子はそれらク質ワールドにいたる橋渡しをし得る過程を実の RNA 分子の相互関係の記憶である．
また，PIW験的に示したものとして注目される．また，こ仮説ではタンパク質状の分子の複製は RNA ワのリボザイムによる t-RNA のアミノアシル化ールドの複製のように高い正確さを持つもので反応のバイオテクノロジーへの応用についてもはなくもっと単純である．さらに，RNA ワール簡単に紹介された．

ド仮説では細胞型生命へどのように移行したの次に，Peter Andras 氏（University ofかということについてうまく説明されていない

Newcastle ） に よ る “ A systems theoryが，PIW 仮説ではこれをもっと明解に説明できinterpretation of the origin of life”についてるだろうということを示した．

招待講演が行われた．生物の生物らしさを特徴

コーヒーブレークの後の最初の招待講

づける性質の一つは，生物は複製するというこ

演は木賀大介氏（東京工業大学）によるとである．RNA は生体中あるいは化学進化的な“Construction of DNA computer”という演条件下で複製し得るので，「最も初期の複製す題であった．生命の性質を構成的に利用して組る生命システムは，RNA からなるシステムであみ上げた方法として，in vitro selection は代表った」という考え方は受け入れやすい．これに的なものであるが，DNA コンピュータも生命の対して，タンパク質こそが核酸よりも生命の起複製する仕組みを要素として利用した方法であ源として重要であったという主張の弱点は，タる．DNA はワトソン-クリック型の相補的な塩

ンパク質は核酸のようには正確には複製しない基対を 形成するの で，例え ば完全に相 補的なということである．タンパク質のような触媒かDNA と，それとは配列が１塩基だけ異なる DNAらなる反応系が生命を構成し得たかどうか，あ分子とを識別できる可能性を持っている．この- 218 -Viva Origino 33 (2005) 208 - 234
原理はすでに特定の遺伝子型を検出するためにされているのに対して，タンパク質は２０種類医療診断などで用いられているが，DNA のこののアミノ酸から構成されているので遙かに膨大性質を利用すれば，検索能にすぐれていることな多様性をもたらしてきた．しかしランダムにを特徴とする新しいコンピュータを創ることが２０種類のアミノ酸を配列させてある機能をもできると考えられている．一方，木賀氏の紹介

つタンパク質が得られる可能性はきわめて小さした DNA コンピュータへの新しいアプローチ

い．しかし生命は最初からある配列をもつタンは，これとは異なっている．DNA と酵素などをパク質を知っていたかのように，進化の過程で含む１つのシステムを構成し，それにある塩基次々と有用な機能をもつタンパク質を生み出し配列を持った DNA 鎖を導入すると，その刺激てきた．ランダムな配列の中から自然淘汰によに対して結果を応答するというタイプのものでって適当なものが選別されると言う機構によっある．講演ではその種の反応系を用いて実際にて，本当にこれらのタンパク質は誕生したので論理演算が可能であるという成果が紹介された．

あろうか．そのような疑問に対して本田氏は新これらの論理演算を要素として組み上げていけしいアプローチ方法で取り組みその成果についば，従来の DNA コンピュータとは一線を画して 紹 介 し た ． 10000 以 上 の セ グ メ ン ト か らた新しい DNA コンピュータが誕生するかも知

chignolin という１０鎖長からなる特徴的なペれない．木賀氏のアイデアのもう一つの要点は，

プチド配列を見いだし，水中での構造を化学的

これらのシステムでは外部から系に刺激（このに明らかにした．chignolin はわずかに１０鎖場合にはある塩基配列を持つ DNA を系内に持長からなるペプチド鎖であるが，立体的に安定ち込む）を与えると，このシステムが自動的にな３次構造を持つ．これを本田氏は最小のタン作動して結果を出すということである．これはパク質と名付けた．chignolin に至った過程，生命が環境に対して自発的に応答するというこ

タンパク質の holding とタンパク質の進化とのとと似ている．従来の DNA コンピュータのよアナロジー，chignolin と似たアミノ酸配列がうに DNA を素子として用いるのではなく，DNA現存のタンパク質内にあるかどうかなどが紹介を生きているように振る舞わせるための系を構された．生命の起源という視点から見ると，タ築し，それらと DNA とを組み合わせて自発的ンパク質は遺伝子の突然変異－自然淘汰の結果に作動する系を構成する，と言い換えることがとして出現したものばかりではなく，「遺伝子できる．これは生命の自発的な構成要素とは何が形成されるよりも古い段階である種のタンパかを考える上で新しい視点をもたらすものであク質はすでに生み出されていたのではないか」

ると思われる．という想像を抱かせるものであった．

引き続いて招待講演として，本田真也

最後に芝清隆氏（癌研究所）によ氏（独立行政法人 産業技術総合研究所）によるる”Synthesis of functional genes by mixing“Designing a miniature protein”が講演されmicrogenes” の招待講演があった．人工的なペた．タンパク質は核酸とならんで生命を構成すプチド合成系を構築し，タンパク質の進化を合る重要な物質である．DNA あるいは RNA はそ

成的なアプローチから進めている芝氏らの研究

れぞれ４種類のヌクレオチドモノマーから構成の紹介がなされた．天然に存在しているタンパ- 219 -Viva Origino 33 (2005) 208 - 234
ク質から，その機能に関連する１０量体程度のペプチドの構築が可能であり，機能を持ったタペプチドモチーフを特定し，そのモチーフを基ンパク質の進化，選択，創出の過程のモデルとにミクロジーンライブラーを構築した後，ファなることを示した．

ージディスプレー法で特定の機能を持った人工ペプチドを選択して産み出していく手法の話が以上のように，このシンポジウムではなされた．実際に芝氏らがこの手法を応用して分子から生命を構築しようという新しい考え方創出した細胞のアポトーシスを引き起こす人工とアプローチ法による最新の研究成果が紹介さペプチドの創製に関しての紹介があった．アポれた．生命あるいはその起源に対して構成的あトーシスを引き起こすタンパク質の中から，そるいはもっと平たく言えば，工学的なアプローの機能に関係すると思われる種々の短いペプチチで研究を進めているという点で共通している．

ド（モチーフ）を基に種々の組み合わせ，変異

これは従来の化学進化の一般的なスタイルの研の人工遺伝子を創り，この人工遺伝子を基にペ究の弱点を補うものであり，生命の起源の問題プチドを合成する．これらのペプチドライブラにおいて益々重要になってくると思われる．

リーの中には強い活性を示すものがあり，活性最後になりますが，独立行政法人産業に基づいて選択して得られる．単純にペプチド技術総合研究所の根本直人氏にはこのシンポジ

モチーフを順番に並べたものではこのような強ウムを企画するにあたってご尽力をいただきまい活性が得られない．短いペプチドでもその組した．この場をお借りして感謝申し上げます．

み合わせ，選択により種々の活性を持った人工- 220 -