メタノアーキオンにおけるプレリボソームRNAの成熟経路を網羅的に解析した結果、古細菌における保存された環化・線形化モードが明らかになった

Comprehensive analysis of the pre-ribosomal RNA maturation pathway in a methanoarchaeon exposes the conserved circularization and linearization mode in archaea.

• Lei Qi
• Jie Li
• Jia Jia
• Lei Yue
• Xiuzhu Dong

抄録

リボソームRNA（rRNA）遺伝子は一般的にオペロンとして構成され、ポリシストロニック前駆体に共転写されている。しかし、古細菌、特にメタノコリアのrRNAの成熟経路はほとんど知られていません。ここで私たちは、メタノアールコアの代表格である古細菌の rRNA オペロン（16S-tRNA-23S-tRNA-5S）の成熟化経路を徹底的に解明しました。酵素アッセイにより、tRNAスプライシングエンドリボヌクレアーゼであるEndAがpre-16Sおよびpre-23S rRNAの処理茎に埋もれているバルジ-ヘリックス-バルジ（BHB）モチーフを切断した。ノーザンブロットおよび定量PCRにより、pre-16Sおよびpre-23S rRNAのスプライシングに伴う円形化が検出され、それぞれ対応するrRNAの2％および12％を占めた。重要なことに、エンドリボヌクレアーゼNob1は、成熟した3'末端で円形のpre-16S rRNAを直線化し、抗Shine-Dalgarno配列を露出させることが決定されたが、一方、円形のpre-23S rRNAは、未知のエンドリボヌクレアーゼによって成熟した5'末端で直線化された。直線化されたpre-16Sおよびpre-23S rRNAにおける結果としての5'および3'伸長は、それぞれ5'-3'および3'-5'エキソリボヌクレアーゼによるトリミングを経て最終的に成熟した。さらに、本研究では、プレ-5S rRNAの成熟化には、エキソリボヌクレオリシスと結合したエンドリボヌクレオリシスという新規な処理経路が存在することが明らかになったが、これはほとんどのメタン生成古細菌にも保存されている可能性がある。このことから、本研究で明らかになったrRNAの成熟化モードは、古細菌の中でも一般的なものである可能性が示唆された。

The ribosomal RNA (rRNA) genes are generally organized as an operon and cotranscribed into a polycistronic precursor; therefore, processing and maturation of pre-rRNAs are essential for ribosome biogenesis. However, rRNA maturation pathways of archaea, particularly of methanoarchaea, are scarcely known. Here, we thoroughly elucidated the maturation pathway of the rRNA operon (16S-tRNA-23S-tRNA-5S) in , one representative of methanoarchaea. Enzymatic assay demonstrated that EndA, a tRNA splicing endoribonuclease, cleaved bulge-helix-bulge (BHB) motifs buried in the processing stems of pre-16S and pre-23S rRNAs. Northern blot and quantitative PCR detected splicing-coupled circularization of pre-16S and pre-23S rRNAs, which accounted for 2% and 12% of the corresponding rRNAs, respectively. Importantly, endoribonuclease Nob1 was determined to linearize circular pre-16S rRNA at the mature 3' end so to expose the anti-Shine-Dalgarno sequence, while circular pre-23S rRNA was linearized at the mature 5' end by an unknown endoribonuclease. The resultant 5' and 3' extension in linearized pre-16S and pre-23S rRNAs were finally matured through 5'-3' and 3'-5' exoribonucleolytic trimming, respectively. Additionally, a novel processing pathway of endoribonucleolysis coupled with exoribonucleolysis was identified for the pre-5S rRNA maturation in this methanogen, which could be also conserved in most methanogenic euryarchaea. Based on evaluating the phylogenetic conservation of the key elements that are involved in circularization and linearization of pre-rRNA maturation, we predict that the rRNA maturation mode revealed here could be prevalent among archaea.