発がんに関わるマイクロRNA（miRNA）が分解される仕組みを解明  | 理化学研究所

# 発がんに関わるマイクロRNA（miRNA）が分解される仕組みを解明

－がん細胞でのmiRNAの1つ「miR-21」の蓄積は分解抑制により生じる－

## ポイント

がん発症に関わるmiR-21は、アデニル化の修飾により分解が促進
がん細胞ではアデニル化を介したmiR-21の分解の仕組みに異常
miRNAの安定化とさまざまな疾患メカニズムとの関係解明に期待

## 要旨

理化学研究所（理研、野依良治理事長）は、がん細胞などの増殖を促進するとされるマイクロRNA（miRNA）[1]の1つ「miR-21」が分解される仕組みを解明し、多くのがん細胞で、分解する仕組みの異常によってmiR-21が蓄積していることを突き止めました。これは、理研ライフサイエンス技術基盤研究センター（渡辺恭良センター長）機能ゲノム解析部門（ピエロ・カルニンチ部門長）のミヒル・デ・ホーンユニットリーダーおよびオランダ アムステルダム自由大学のヨースト・ブレ大学院生らと、理研予防医療・診断技術開発プログラム（林崎良英プログラムディレクター）などとの共同研究グループの成果です。

DNAから転写されたRNAには、タンパク質合成の遺伝情報を含まないノンコーディングRNA（ncRNA）が大量に存在します。ncRNAの中でも、miRNAと呼ばれる非常に短い1本鎖RNAは遺伝子の働きを抑制する機能を持ち、がんなどの疾患との関連が注目されています。miRNAは長さが18～24塩基程度であり、末端の1または2塩基が異なる多型がしばしば見られます。しかし、なぜmiRNAにこのような多型が存在するのか、その理由は明らかにされていませんでした。

共同研究グループは、miRNAの1つmiR-21に、長さが異なる多型が存在することを発見しました。miR-21はがん抑制遺伝子を標的とし、その機能を阻害することでがん細胞の増殖を促進すると考えられています。詳細な解析の結果、miR-21の長さの違いは3’末端にアデニンが付加（アデニル化[2]）されたためであり、さらに、アデニル化されたmiR-21は核酸分解酵素[3]による分解が促進されることが判明しました。多くのがん細胞でmiR-21が大量に発現していますが、これは、“アデニル化したmiR-21を分解する仕組み”がうまく機能せず、分解と安定化のバランスが崩れてmiR-21が異常に蓄積したためと考えられます。

今回、miR-21の分解の仕組みとがん細胞における異常な蓄積の関連が判明したことにより、今後、miRNAの安定化と、がんを含むさまざまな疾患の発症との関連についても解明が進むと期待できます。

本研究は、文部科学省 ゲノムネットワークプロジェクトおよび革新的細胞解析研究プログラム（セルイノベーション）の支援を受けて行われ、成果は米国科学アカデミー紀要『Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（PNAS）』オンライン版に7月21日（日本時間22日）に掲載されました。

## 背景

DNAは、A（アデニン）、T（チミン）、G（グアニン）、C（シトシン）という4種類の塩基で構成されており、塩基配列がメッセンジャーRNA（mRNA）に転写され、その塩基配列が翻訳されてタンパク質がつくられます。RNAには、mRNAのほかにタンパク質合成の遺伝情報を含まないノンコーディングRNA（ncRNA）や、レトロトランスポゾン[4]などに由来する繰り返し塩基配列を持ったRNAなどがあります。ncRNAには長さが18～24塩基程度の短いマイクロRNA（miRNA）が存在します。miRNAは、標的となる塩基配列を持つmRNAに結合してその分解や翻訳を阻害する作用を示すことから、遺伝子機能を抑制して制御する働きがあるとされています。近年、miRNAと疾患との関わりが注目され、中でも多くのがん細胞で発現する「miR-21」は、細胞増殖や細胞死などとの関連が注目されているmiRNAの1つです。一方、これまでさまざまな研究で蓄積されたRNA配列データから、miRNAには塩基配列がわずかに異なる多型がしばしば見られることが報告されています。しかし、多くの場合miRNAの多型の生物学的意義は解明されておらず、miR-21についても多型が存在するかどうかを含めその詳細は明らかになっていませんでした。

## 研究手法と成果

共同研究グループは、乳がん細胞株から得た低分子RNAライブラリー[5]の解析などの結果から、これまで知られている22塩基のmiR-21以外に、長さの異なる多型が存在することを発見しました（図1）。このうち長さが24塩基のmiR-21の3’末端はゲノムにコードされていないアデニンで終わっていたため、miR-21が転写された後にアデニンが付加（アデニル化）されていることが予想されました。そこで、miR-21がアデニル化される仕組みとその役割について調べたところ、がん抑制遺伝子として知られるヌクレオチド転移酵素PAPD5[6]がmiR-21をアデニル化し、その結果、核酸分解酵素PARN[7]によってmiR-21が3’側から分解されることが分かりました。さらに、国際がんゲノムコンソーシアム[8]が公開している正常細胞とがん細胞の低分子RNA発現データを詳細に解析したところ、正常細胞に比べてがん細胞ではアデニル化されたmiR-21の割合が低く、また分解されるmiR-21も少ないことが分かりました（図2）。これらの結果から、がん細胞では、“アデニル化を介したmiR-21を分解する仕組み”（図3）がうまく機能しないため、miR-21の分解と安定化のバランスが崩れ、異常な蓄積が起きることが示されました。

## 今後の期待

miRNAの発現異常は、がんのほかにも心疾患やアルツハイマー型認知症などさまざまな疾患に関わることが示唆されています。今回の研究で明らかになったアデニル化を介したmiR-21の分解は、細胞内のmiRNAの量を調節する一般的な仕組みである可能性があり、今後、miRNAの安定性とさまざまな疾患の関係について解明が進むと期待できます。

## 原論文情報

Joost Boele, Helena Persson, Jay W. Shin, Yuri Ishizu, Inga S. Newie, Rolf Søkilde, Shannon M. Hawkins, Cristian Coarfa, Kazuhiro Ikeda, Ken-ichi Takayama, Kuniko Horie-Inoue, Yoshinari Ando, A. Maxwell Burroughs, Chihiro Sasaki, Chizuru Suzuki, Mizuho Sakai, Shintaro Aoki, Ayumi Ogawa, Akira Hasegawa, Marina Lizio, Kaoru Kaida, Bas Teusink, Piero Carninci, Harukazu Suzuki, Satoshi Inoue, Preethi H. Gunaratne, Carlos Rovira, Yoshihide Hayashizaki, and Michiel J. L. de Hoon.
"PAPD5-mediated 3′ adenylation and subsequent degradation of miR-21 is disrupted in proliferative disease".
Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, published ahead of print July 21, 2014, doi: 10.1073/pnas.1317751111

## 発表者

理化学研究所
ライフサイエンス技術基盤研究センター 機能性ゲノム解析部門 LSA要素技術研究グループ ゲノムデータ解析アルゴリズム開発ユニット
ユニットリーダー ミヒル デ ホーン

ライフサイエンス技術基盤研究センター 機能性ゲノム解析部門
技師 薬師寺 秀樹（やくしじ　ひでき）

独立行政法人理化学研究所
ライフサイエンス技術基盤研究センター
チーフ・サイエンスコミュニケーター 山岸 敦（やまぎし あつし）
Tel: 078-304-7138 / Fax: 078-304-7112

1.miRNA
細胞内に存在する長さ18～24塩基程度の1本鎖RNA。数百～数千の塩基の一次転写産物から段階的に切り出されて作られる。タンパク質へは翻訳されず、他の遺伝子の発現調節などの機能を担っている。
2.アデニル化
アデニンとリボース、リン酸からなるアデニンヌクレオチドが付加される反応。mRNAの成熟過程における3’末端のpoly(A)付加（アデニンの連続した繰り返し）などが知られている。
3.核酸分解酵素
核酸（DNAやRNA）を分解する酵素の総称。鎖状の核酸を端から分解する酵素のほかに、内部を切断する酵素も存在する。
4.レトロトランスポゾン
HIVなどのレトロウィルスのように、DNA→RNAへの転写と、RNA→DNAへの逆転写によって増殖する性質を持つ遺伝因子。
5.低分子RNAライブラリー
低分子のノンコーディングRNA解析のために作製されたRNAライブラリー。この実験では、12〜52塩基の長さのRNAライブラリーが用いられた。
6.PAPD5
mRNAのアデニンヌクレオチド付加に関わる酵素の1種であり、短鎖RNAの3’末端にアデノシンを付加する活性も持つ。がん抑制遺伝子 TP53のmRNAの安定化や翻訳制御に関わることが知られている。
7.PARN
核酸分解酵素の1種。RNAを3’側から分解する活性があり、poly(A)-specific ribonucleaseとも呼ばれる。
8.国際がんゲノムコンソーシアム
2008年に発足した、がんのゲノム変異の包括的なカタログを作成するという目的を達成するため、各プロジェクト間の調整（情報交換の促進、ゲノム解析作業の重複阻止など）を行う組織。日本からは、理化学研究所や国立がん研究センターをはじめ、6つの大学と4つの研究機関が参加している。

図1　miR-21の前駆体構造と3’末端が異なる多型の塩基配列

上：
miR-21の前駆体（pre-miRNA）の構造。
下：
成熟したmiR-21の塩基配列の多型。これまで知られていた22塩基の長さ（miR-21）に対して、3’末端が1塩基長いmiR-21+Cが主要な多型として存在する。これがさらにアデニル化の修飾を受け、miR-21+CAとなる。

図2　がん細胞と正常細胞におけるmiR-21の発現量とアデニル化の関係

肺がん患者のがん細胞（赤）と正常細胞（緑）におけるmiR-21の発現量とアデニル化率の比較。縦軸は発現量を、横軸はアデニル化の割合を示す。がん細胞においてmiR-21の発現量は高く、アデニル化の割合が低い。

図3　miR-21の分解に関わる2つの酵素

今回の研究で明らかになったmiR-21のアデニル化とそれに続く分解の仕組み。miR-21+Cの配列はゲノムにコードされた配列であり、この3’末端にヌクレオチド転移酵素PAPD5がアデニンを付加し、miR-21+CAとなる。このアデニル化が引き金となり、核酸分解酵素の一種PARNがmiR-21+CAを3’側から分解する。