大型放射光施設 SPring-8

公開日

2003年07月01日

平成15年7月1日
理化学研究所

１．背　景
　ほとんどのタンパク質は細胞質で合成された後、それぞれが働くべき場所まで輸送されて，その機能を発揮します。したがって、タンパク質がその持ち場まで輸送されるメカニズムを理解することは、複雑な生命現象を理解するための第一歩です。細菌は自らの形態を維持し、生体内の諸物質を輸送し、また薬剤を排出するために、何十種類ものリポタンパク質を持っています。しかしそのリポタンパク質は脂質と結合して生体膜に埋め込まれているため、細胞を満たす溶液の中に溶け込むことができません。したがって、リポタンパク質が生体膜から他の生体膜へ移動するためには、運搬を助けるタンパク質を必要とします。最近、グラム陰性細菌にある二重の生体膜（内膜と外膜）間のペリプラズム空間（図１）で、リポタンパク質の輸送をつかさどる一連のタンパク質群として、ペリプラズム空間のシャペロンタンパク質LolA、外膜でのリポタンパク質受容体LolB、そして内膜のLolCDE複合体が、東京大学の徳田　元教授の研究グループによって相次いで発見されました。これらのタンパク質はグラム陰性細菌の生存に欠くことのできない大変に重要なタンパク質でした。これまでの生化学的な研究の結果、これらのLolタンパク質群が協力しつつ、ATPのエネルギーを利用してリポタンパク質を内膜から外膜へ輸送することがわかりました。しかしながら、これらのタンパク質の構造や、ふつうATPのエネルギーを消費することのできないペリプラズム空間で、リポタンパク質を輸送するメカニズムなど、多くの未解決の問題がありました。

２．研究手法と成果
　研究グループでは、これら一連のLolタンパク質群によるリポタンパク質輸送の分子レベルでのメカニズムの解明をめざして、グラム陰性細菌の一種である大腸菌由来のLolAおよびLolBタンパク質を大量に発現、精製し、結晶を作成しました。大型放射光施設(SPring-8)の構造生物学用ビームラインを用いて、X線回折強度データを収集し、多波長異常分散法で解析を行った結果、LolA（図2）とLolB（図3）の立体構造を、それぞれ1.65 Å分解能および1.9 Å分解能という非常に高い精度で解析することに成功しました。
　これら２つのタンパク質はアミノ酸配列もリポタンパク質輸送における役割もまったく異なっているにもかかわらず、その立体構造は酷似していました。どちらのタンパク質も、βシートによって中心部に疎水性の空洞を持つ袋状ポケットを備え、さまざまな構造をとるリポタンパク質の脂質部分をつかまえるのに都合のよい構造であることが分かりました。また、袋状ポケットのフタを形成するαへリックスの配置と空洞を取り囲むアミノ酸の種類が、LolAとLolBでは異なり、この構造上のわずかな違いが、ATPエネルギーをペリプラズム空間で使用することなくLolAからLolBへリポタンパク質を受け渡たし運搬するために重要であることも解明されました。

３．今後の展開
　タンパク質の輸送は、細菌類からヒトなどの高等生物に至るまで、細胞内で幅広く見られる普遍的な現象です。その仕組みを分子のレベルで明らかにしていくことは、生命活動の本質にせまるために非常に重要です。今後、LolAとリポタンパク質の複合体、LolBとリポタンパク質の複合体、LolCDE複合体、のX線結晶構造解析を進めていく予定で、それらの構造が明らかになることによって、合成されたタンパク質が機能すべき場所に運ばれる仕組みが、より詳しく解明されることになります。また、LolAとLolBはグラム陰性細菌の生存に欠くことのできない重要な働きを担っていることから、今回決定した立体構造をもとにして、病原性のグラム陰性細菌（O-157大腸菌やサルモネラ菌など）を特異的なターゲットとした抗生物質の開発につながる可能性があるものと期待されます。

《参考資料》

<補足説明>

※1 　リポタンパク質
　細菌の細胞膜に存在し、N末端のシステイン残基に脂質が結合したタンパク質。細菌は自らの形態を維持し、生体内の諸物質を輸送し、また薬剤を排出するために、何十種類ものリポタンパク質を持っている。しかし脂質と結合して生体膜に埋め込まれているため、細胞を満たす溶液の中に溶け込むことができない。細菌が持つリポタンパク質は、動物細胞が持つリポタンパク質とは異なる。

※2 　X線結晶構造解析
　1ÅぐらいのX線の波長はタンパク質などの物質中の原子と原子の距離と同程度であり、物質が規則正しく並んだ結晶によって回折される。回折されたX線の強度を詳しく解析することにより、結晶内の分子構造を解明することができる。