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前生物的合成におけるイミダゾール・イミダゾリウムの役割,PLGD]ROHDQGLPLGD]ROLXPLQSUHELRWLFV\QWKHVLV

前生物的合成においては，核酸塩基，糖，アミノ酸，

ところが，2016 年に Szostak らのグループは 2-メチ

そして原始的な補因子がそれぞれの単位として作られ，ルイミダゾールを結合した NMP が 2 分子反応して 5ƍ-

その後それらが組み合わさって高分子やそれに結合すリン酸基どうしがイミダゾリウムで橋渡しされた構造る低分子ヌクレオチドになったと考えられていたが，のものとなり，RNA 伸長反応に用いられることを示し

最近ではピリミジンヌクレオチドの前生物的合成（文献

た．そして，これが鋳型となる RNA に隣り合って水1 に紹介）など，いくつかの単位が合わさったものが一素結合し（図 2），その一方がもともと存在する RNA気に作られる，という考え方も浸透してきている．しか鎖（プライマー）の 3ƍ-OH によって攻撃されるメカニズ

し，RNA ワールドにおける RNA の自己複製についてムを提唱した 3）．従来考えられてきたイミダゾールよはやはりヌクレオシド一リン酸（NMP）どうしの結合がりもイミダゾリウムの方が良好な脱離基であるため，基本であると考えられる．現在では言うまでもなくヌクより効率よく反応が進行することが期待される．そのレオシド三リン酸（NTP）のエネルギーを用いて RNA の後，このイミダゾリウムの構造を蓄積しやすいという伸長が行われているが，前生物的合成の頃は NTP としことから，2-メチルイミダゾールは 2-アミノイミダゾーてのエネルギー供給系は確立していなかったので，どルに置き換えられて考えられるようになった 4）．のようにリン酸基を活性化していたかが問題となる．
+2

この活性化を行うものとして最近注目されているのがイミダゾリウム（イミダゾール環を有するカチオン）2の構造である．本稿では前生物的な RNA 合成におけ1るこの役割と，触媒としての働き，そして本来のイミ

1．RNA 伸長反応におけるイミダゾリウム+2ミダゾールによってなされると考えられてきた 2）．現存
ゼの活性部位などリン酸基転移を行う酵素やタンパク質においてヒスチジンのイミダゾール基がリン酸化されたものが中間体として存在することから，リン酸基

222 32

図2

図1イミダゾリルリン酸．
正式名称は（1H-imidazol-1-yl）
phosphonic acid．実際はリン酸基がさまざまな化合物にエステル結合している．

%DVH%DVH2+2%DVH%DVH

の活性化の一つの形態として理解できる（図 1）．

%DVH2+2

前生物的合成における NMP のリン酸基の活性化はイ%DVH

21+222 32

ダゾールの由来についての議論を合わせて紹介する．

する生物においても，例えばホスホグリセリン酸ムター

3 222+2-メチルイミダゾールのイミダゾリウムで橋渡しされた NMP．これが RNA の鋳型鎖（右側に簡略化した形で示す）と塩基対を形成する．左下に示した
既存の RNA（プライマー）の 3ƍ-OH が一方のリン酸エステルを攻撃し，ホスホジエステル結合の形成，RNA 鎖の伸長が行われる．

NMP のリン酸基とイミダゾール誘導体の縮合したものが生成するのはエネルギー的に不利であるが，リ5・6 号（6 月）2022〕

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

図3

予想される前生物的なイミダゾリルリン酸の生成の機構．シアンヒドリンがリン酸基の攻撃を受け，良好な脱離基である 2-ヒドロキシ-1（メチルイミノ）プロピル基となり，イミダゾールがこれと置換する．

ン酸基の活性化機構としては Sutherland らによって図ン（Mg 2＋ ）が共存する条件が最適であることを見いだ

3 に示されるものが提唱されている 5）．これは pH 6 〜

した 6）.

7 付近で起こり，核酸塩基を修飾することなく行われさらに，最近，このイミダゾリウムで橋渡しされた
2 つの NMP のモデルとして GpppG（2 つの GMP がリる．
ただし，この機構においてはメチルイソシアニド（イン酸を介してつながったもの）を用い，Mg2＋を配位しソシアノメタン）CNCH3 が供給される必要がある．こている状態の X 線結晶解析を報告している．これによれについてはヘキサシアノ鉄（II）酸イオンの存在下，れば確かに既存の RNA 鎖（プライマー）の 3ƍ-OH が求HCN，CO，NO＋（ニトロソニウムイオン）に紫外線が核攻撃を行いやすい位置にあること，そしてさまざま

5）照射されることによって作られると考えている ．こな糖の誘導体を用いたところ，リボースがそのエピの機構は文献 5 の Figure 3 に示される通り複雑である

マーであるアラビノースよりも求核攻撃に適した位置が，光反応によってヘキサシアノ鉄（II）酸イオンのにあることが示した 7）．これは，この機構が進化的にCN−と置換した NO＋とメチルアミン CH3NH2 が反応し意味のあるものであることを示唆している．て CH3–N2＋（ジアゾニウムイオン）が配位子となって2＋

この結晶構造においては，プライマーの 3ƍ-OH がFe に配位するようになり，これにもう 1 分子のヘキMg2＋に配位しており，これによってヒドロキシ基が解サシアノ鉄（II）酸イオンの配位子の CN−が求核攻撃し離した形が安定化されていると考えられる．プライて CNCH3 を形成する，というものである．ここで求マーの 3ƍ 末端を種々の糖に置換した実験では反応速度

核攻撃を起こすのは遊離の CN ではなく，配位子のは 3ƍ-OH の pKa とは関連がなく，また，重水の同位体CN−であり，そのために C ではなく N がメチル基に結効果もみられなかったことから，律速段階は既にアル合する原子となる．なお，この求核置換反応は光で促コキシドとなった 3ƍ-OH の求核攻撃の段階であると結進されている．

論している 7）．

−

この機構によれば，一旦 NMP のリン酸基が活性化されたあと，それがイミダゾール誘導体との縮合物に置き換わるので，一見無駄なことをしているようにみ2．チアゾリウム代替物としてのイミダゾリウム
RNA ワールドを構築するためには当然リボースが必えるが，イミダゾリウムで橋渡しされる構造に意味が要で，他の糖と同様，これがどのように作られたかとあるので，無駄ではない．

いうのは化学進化を考える上で重要である．

Szostak らのグループはこの反応を詳細に検討し，最古く 1851 年に Butlerov によって HCHO から糖が作も効率の良い条件として，2-アミノイミダゾールは遊られることが見いだされていた 8）．ホルモース反応と離の状態ではなくすべて NMP に結合した状態で存在名付けられたこの反応は Ca（OH）2 を触媒とし，O がし，既存の RNA の 2ƍ-OH の活性化のための金属イオCa2＋に配位することでヒドリド転移を伴ってグリコー

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ルアルデヒド HOCH2CHO が生成することが初発反応知られているが，イミダゾリウムにおけるこの性質は，と考えられ，以後アルドール縮合を繰り返して進行すタンパク質のプロトン化したヒスチジン残基が 2 位でる．同様の反応が原始の地球においても行われていたH/3H 交換を起こすことを利用した同残基の pKa の決定可能性があり，ホウ酸によって糖の中でもリボースがに用いられたことを想起させる 10）．

優先的に安定化されたという説がある 9）．今日の代謝

チアミンはベンゾイン縮合を触媒するが，同様の機につながるような炭素化合物による触媒反応として構でイミダゾリウムが 3 分子のホルムアルデヒドは，CN−で触媒されるベンゾイン縮合に類似した反応

HCHO からジヒドロキシアセトンの合成を触媒する過が考えられる．しかし，CN による三炭糖以上の糖の程が Weber らのグループによってみつけられている安定的な合成は再現されていない．おそらく CN−の付（文献 11，図 4（C））．

−

加によってできたニトリルの反応性が高いためであろうと思われる．

イミダゾリウムは前生物的にかなり容易に作られていたようである．Weber らのグループは当初，（おそら現在の生物では，チアミン二リン酸のカルベンがケくホルモース反応によって生成した）ジヒドロキシア

トンに付加してカルボニル炭素をカルボアニオンとしセトンとアニリン，HCHO から作られる経路を想定して安定化し，転移させる機構が確立しているが，このていた 11）が，その後，2 分子のフルフラール（リボー

チアミン二リン酸の中心的な構造であるチアゾリニウ

スの脱水によって作られる）がベンゾイン縮合して酸ムに類似した構造をイミダゾリウムが有している（図化され，アミンと HCHO と反応して生成する経路を実4（A））．いずれも 2 位の炭素が活性であり，プロトン験的に見いだした（文献 12，図 5）．このベンゾイン縮を失ってカルベンとなる（図 4（B））．チアゾリウムの合の段階でイミダゾリウムが触媒となるため，自己触この性質はチアミン二リン酸の触媒機構においてよく媒的な前生物的合成経路が起こり，蓄積したイミダゾ

図 4 （A）チアゾリウム（左）とイミダゾリウム（右）の構造の類似性．
（B）それぞれがカルベンとなった構造．
（C）イミダゾリウムで触媒されるホルムアルデヒドからのジヒドロキシアセトンの生成．ベンゾイン縮合を 2 回繰り返している．

2 2 222 2± +22+

22%X1++&+2+

2 2± +2%X 11 %X
図5イミダゾリウムの自己触媒的合成．2 分子のフルフラールのベンゾイン縮合（図の第 1 段階）において生成物のイミダゾリウムが触媒として働く．

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リウムが糖，特にリボースの量産に貢献したことが考であるため，前生物的合成においては実際に起こってえられる．

いないのではないかという指摘があるが，反応機構自3．ヒスチジンの前生物的合成体は現在の生合成経路ときわめてよく似ている．
想定されるヒスチジンの前生物的合成の経路にはSzathmáry は現在の tRNA の原型となる，アミノ酸RNA は素材としては関わっていない．一方，よく指摘を結合した RNA が RNA ワールドにおいて存在したとされるように，今日の代謝ではヒスチジンは ATP とホ考えている 13）．これによって，純粋な RNA にはないスホリボシル二リン酸（PRPP）を原料とする点で核酸触媒能力が獲得されたということで，Szathmáry はこ代謝とかかわる唯一のアミノ酸である．興味深いこと

れらに アミノ酸補因子 amino acid cofactor という名に，ATP を原料とするのであればそのアデニンの中の称を与えている．このアミノ酸を結合した小さな RNAイミダゾールの構造を使うのが一見簡単に見えるが，は ヌクレオチドハンドル と呼ばれるが，現在のアン実際はそうではない．

チコドンに当たる部分とアミノ酸の組合せは疎水性にPRPP が ATP のアデニンの N1 をホスホリボシル化

よって決まり（AGCU の順に疎水性が増し，疎水性のして二リン酸が外れ（図 6B），それによって N1 と C6アミノ酸と対応する），RNA の特定の塩基配列の場所の間での加水分解が促進され，C2 と N3 の間の加アンに特定のアミノ酸がヌクレオチドハンドルを介して結モニア分解を通じて，N1 のホスホリボシル基が N1 と合するという図式は早期に確立したと考えられる．おC2 を切断に用いたアンモニアの N とともに切り取る．

そらく，これを機に，RNA は単に自己増殖を行うだけ

すなわち，上記の Shen らのモデル反応で用いられたの状態から脱し，原始の代謝に関わるようになったとホルムアミジンを供給するものとして ATP のアデニン思われる．の一部が用いられているということになる．

そして，この原始のアミノアシル tRNA から RNA

その後，N1 のホスホリボシル基は開環し，アマドと共存するタンパク質がつくられ，やがて代謝の触媒リ転位を経て閉環してイミダゾール環を形成し，ホスは多様かつ高度な触媒活性を持つタンパク質が担うよホリボシル基の残りの部分がイミダゾール環以外の炭うになる．RNA ワールドの主役であった RNA は自己素骨格となってヒスチジノールリン酸となる．そして複製を触媒する部分が rRNA となり，複製される部分

元の ATP から生じた AMP の部分はアデニンの N1 とはしばらく RNA のままで存在したが，DNA が出現すC2 が欠損した形の AICAR（5-アミノイミダゾール-4-るに至って安定性の高い DNA に遺伝情報を保存し，カルボキサミドリボヌクレオチド）となって再びプリタンパク質の合成の土台となる部分は mRNA へと変ンヌクレオチドの合成に用いられる．つまり，ATP の化して行ったと考えられる．

アデニンのイミダゾール部分はリボースに結合したまSzathmáry の アミノ酸補因子 の概念は，White のまサイクルを回るということになる．

現在の補酵素の原型となる原始の補因子がヌクレオアデニンに存在したイミダゾールがヒスチジンのイチドを介して（自己複製する）RNA と塩基対を形成しミダゾールにならない理由について，Vázquez-Salazarていた とする考え方 14）を発展させ，その補因子の中らは アデニンの N9 が修飾された状態ではプロトン授にアミノ酸を含めたものである．確かに現在の酵素の受や求核攻撃ができず，触媒として機能できないため活性部位でアミノ酸残基が触媒を担っていることを考である と考察している 16）．このことは上記の アミえ合わせると，この考え方は妥当と思われる．

ノ酸補因子 としてのヒスチジンを結合した RNA がこ

そうすると，ここで注目されるのがヒスチジンである．おそらくヒスチジンも Szathmáry の言うところののイミダゾール部分で触媒を行っており，その機能が重要であるという考え方と合致している．

アミノ酸補因子 の一つとして，小さな RNA に結合

これは本稿の筆者の考えであるが，Shen らの考察としてそれが大きな RNA と塩基対を形成し，RNA の触Vázquez-Salazar らの考察を照らし合わせてみると次の媒機能の一端を担っていたであろう．
ヒスチジンの前生物的合成については Shen らによっようなシナリオが浮かび上がってくる．現在のヒスチジンの生合成は ATP と PRPP を原料としているというてエリトロース，ホルムアミジン HN=CH-NH2，および点で RNA ワールドの代謝を反映していると考えられHCN から作られる経路が提唱され（図 6A），その反応

る 14）．RNA ワールドでの対応する反応では，PRPP はが実際に起こることが実験的に確かめられている 15）．

ある種の RNA の 3ƍ-末端残基として存在し，それが遊出発物質のエリトロースがホルモース反応でごくわず離のアデニンヌクレオチドあるいは RNA のアデニンかしか蓄積しないこと，またホルムアミジンが不安定の N1 と反応し，現在の代謝と同様の反応機構でイミ252〔ビタミン 96 巻トピックス

図 6 （A）Shen らによって想定されたヒスチジンの前生物的合成．
（B）現在のホスホリボシル AMP からのヒスチジンの合成．イミダゾールグリセロールリン酸までを示す．RibP はリボース 5ƍ-リン酸．
ホスホリボシル AMP は ATP の N1 でのホスホリボシル化ののち，ATP 部分が加水分解して生じる．

ダゾールグリセロールリン酸を作る．ただし，PRPP必要がないと考えれば，十分に存在するリボースを骨が RNA の 3ƍ-末端残基であるから，生成したイミダゾー格に使うことになり，エリトロースの希少性の問題もルグリセロールリン酸もリン酸を介してその RNA の解決しそうである．

3ƍ-末端に結合していることになる（図 7）．しばらくはこのままの形で Szathmáry の言う アミノ酸補因子 に相当する触媒機能を担っており，その後タンパク質合成系が確立する頃にイミダゾールグリセロールリン酸からヒスチジンへの経路ができたであろう．Shen らの仮説について指摘されたホルムアミジンの不安定さはATP のアデニンから供給されることで解決される．また，前生物的合成でほとんど蓄積されないエリトロー
スを原料としたのは，ヒスチジンというアミノ酸にす

図7

RNA の 3ƍ 末端で生じると考えられるイミダゾール
グリセロールリン酸．

るべく Strecker 合成を考えていた（図 6（A））ために炭素数がリボースより 1 つ少ないものを用いたことが理

このようにヒスチジンの前生物的合成についてはあ由である．これも最初からアミノ酸にまで持って行く

る程度見通しが立ちつつあるが，イミダゾールのまま5・6 号（6 月）2022〕

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では，求核攻撃を行うか，一般塩基触媒となるか，す文

なわちルイス塩基あるいはブレンステッド塩基としての役割を持つことになる．前 2 節で紹介したようなイミダゾリウムとしての働きがあったのかどうかは明確ではないが，もしも存在したとしてもそれはすぐにチアゾリウムの形でチアミン二リン酸を結合した RNAに置き換わったと思われる．現在のチアミンの生合成においては，1-デオキシ-D-キシルロース 5-リン酸のカルボニル炭素をイミンであるデヒドログリシンが攻献1）林秀行（2009）ピリミジンリボヌクレオチドの前生物的合成．
ビタミン 83，621-623
2）Lohrmann, R., Orgel, L.E. (1973) Prebiotic activation processes.
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3）Walton, T., and W. Szostak, J. (2016) A highly reactive imidazolium-bridged dinucleotide intermediate in nonenzymatic RNA
primer extension. J Am Chem Soc 138, 11996-12002
4）Walton, T., and W. Szostak, J. (2017) A kinetic model of nonenzy-撃し，この二重結合に H2S に相当するものが供給されmatic RNA polymerization by cytidine-5ƍ-phosphoro-2-amino-て閉環している．糖のカルボニル炭素をイミンが攻撃

imidazolide. Biochemistry 56, 5739-5747

しているという点において，想定される前生物的合成の中はイミダゾリウムよりもヒスチジン（イミンの代わりにアミジンがカルボニル炭素を攻撃）の合成に似ていると言える．また， アミノ酸補因子 としてのRNA との関連においても，イミダゾリウムよりもヒスチジンとの関係が深いことは納得しやすい．

5）Mariani, A., A. Russell, D., Javelle, T., and D. Sutherland, J. (2018)
A light-releasable potentially prebiotic nucleotide activating agent.
J Am Chem Soc 140, 8657-8661
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copying. J Am Chem Soc 142, 14810-14813
7）Giurgiu, C., Fang, Z., Aitken, H. R. M., Kim, S. C., Pazienza, L.,

チアミンの前生物的合成については不明の点が多い

Mittal, S., and Szostak, J. W. (2021) Structure-activity relation-が，イミダゾリウム・イミダゾール（ヒスチジン）とのships in nonenzymatic template-directed RNA synthesis. Angew

関連においての今後の進展を期待したい．

Chem Int Ed Engl 60, 22925-22932
8）Boutlerow, A. (1861) Formation synthétique d’une substance su-

Key words :imidazole, imidazolium, RNA world, prebiotic
synthesis, RNA elongation, thiamine, histidine,benzoin condensation, Amadori rearrangement

crée. CR Acad Sci 53, 145-147
9）Ricardo, A., Carrigan, M.A., Olcott, A.N., Benner, S.A. (2004) Borate minerals stabilize ribose. Science 303, 19610）Matsuo, H., Ohe, M., Sakiyama, F., Narita, K. (1972) A new approach to the determination of pKa’s of histidine residues in pro-Department of Chemistry, Division of Liberal Arts, Osaka
Medical College, Takatsuki 569-8686, Japan11）Clairmont, R. M., Bommarius, A.S., Weber, A.L. (2015) Imidazolium catalysts formed by an iterative synthetic process as a model

大阪医科大学総合教育講座化学教室
林teins. J Biochem 72, 1057-1060

system for chemical evolution. J Mol Evol 81, 1-9秀行12）Weber, A.L., Rios, A.C. (2019) Imidazolium-catalyzed synthesis of

利益相反自己申告：申告すべきものなし

an imidazolium catalyst. Orig Life Evol Biosph 49, 199-211
13）Szathmáry, E. (1999) The origin of the genetic code: amino acids
as cofactors in an RNA world. Trends Genet 15, 223-229（2022.2.9 受付）

14）White, H.B. (1976) Coenzymes as fossils of an earlier metabolicstate. J Mol Evol 7, 101-104
15）Shen, C., Yang, L., Miller, S. L., and Oró, J. (1990) Prebiotic synthesis of histidine. J Mol Evol 31, 167-174
16）Vázquez-Salazar, A., Becerra, A., and Lazcano, A. (2018) Evolutionary convergence in the biosyntheses of the imidazole moietiesof histidine and purines. PLoS One 13, e0196349. なお，当論文の Fig. 3 の PRFAR は色分けが誤っており，イミダゾールから右に伸びる部分の最初の –N=CH-NH– が緑，その右がすべて青であり，PRFAR の下の青く示されたホスホリボシル基が緑である．