βシートを含むタンパク質の折り畳み過程を観測（プレスリリース）

公開日: 2005年02月21日

BL45XU（理研構造生物学I）

理化学研究所は、一本鎖モネリンとよばれるタンパク質が変性した状態から折り畳む様子を、世界で初めてX線小角散乱法を使ってリアルタイムで観測した。

平成17年2月21日
独立行政法人理化学研究所

　独立行政法人理化学研究所（野依良治理事長）は、一本鎖モネリン^※1とよばれるタンパク質が変性した状態から折り畳む様子を、世界で初めてX線小角散乱法を使ってリアルタイムで観測しました。京都大学大学院工学研究科の木村哲就大学院生（博士課程）、大阪大学蛋白質研究所の高橋聡助教授、理研播磨研究所前田構造生物化学研究室の藤澤哲郎先任研究員らによる研究成果です。
　タンパク質は生体中で特定の形に自発的に折り畳み、それぞれの形に応じた機能を発揮します。研究チームでは、ひも状の変性したタンパク質が折り畳む過程を観察することで、メカニズム解明に取り組んできました。今回、大型放射光施設（SPring-8）の小角散乱ステーションにおいて、時分割X線小角散乱法^※2というユニークな実験手法を開発し、折り畳み過程の観察に成功しました。
　具体的には、時分割X線小角散乱法を、βシート^※3を含むタンパク質に初めて適用し、これまで知られていた αヘリックス^※4を多く含むタンパク質とは大きく異なる折り畳みの様子を明らかにしました。この新たな折り畳み過程のメカニズムの発見は、タンパク質全体の形の形成が細部の形を決める上でどのように関わるのかがわかります。
　本研究成果は米国の科学アカデミー紀要『Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America：PNAS』の（2月14日号）オンライン版に掲載されました。

（論文）
"Specific collapse followed by slow hydrogen-bond formation of -sheet in the folding of single-chain monellin"
Tetsunari Kimura, Takanori Uzawa, Koichiro Ishimori, Isao Morishima, Satoshi Takahashi, Takashi Konno, Shuji Akiyama, and Tetsuro Fujisawa

１．背　景
　タンパク質は、アミノ酸がひも状につながった高分子であり、アミノ酸の並び方に従って特定の形に折り畳まれ、生体中で機能を発揮します。これは生化学の教科書に書かれている基礎的な現象ですが、「あるアミノ酸配列を持つタンパク質は、なぜ特定の形に折り畳まれるのか？」という問題はいまだに解かれていません。この問題は、未知タンパク質の構造予測や人工タンパク質の設計など、多くの応用と関連します。
　実際のタンパク質は、数マイクロ秒から数十秒という短時間で自発的に折り畳まれる性質を持ちます。しかし、タンパク質は構造の自由度が天文学的に大きいため、最新の計算機を使っても、折り畳み構造を選び出すことは非常に困難です。従って、タンパク質の折り畳み過程を明らかにすることで、タンパク質の働きを理解することができるだけでなく、構造予測の発展に大きく寄与できると思われます。
　研究グループは、タンパク質が折り畳まれる過程を実験的に観察することを目的に研究を続けています。特に、タンパク質の構造を特徴づける最も大切な量である「コンパクトさ」を、折り畳まれる途中のタンパク質について観察するために、X線小角散乱法（SAXS）という手法を採用しました。SAXSは、溶液中のタンパク質のコンパクトさを高速で測定できるほぼ唯一の手法ですが、測定には輝度が高いX線源が必要です。SPring-8の理研構造生物学 I ビームライン（BL45XU）では、生体分子のSAXSを測定できますが、研究グループでは、このビームラインを利用してタンパク質の折り畳み過程を観察する時分割X線小角散乱法を開発しました（図1）。そして、類似の装置が他の放射光施設でも作られはじめていますが、同研究グループが開発した手法は世界最高性能を誇ります。
　研究グループは、これまでにシトクロムc^※5とアポミオグロビン(apoMb)^※6と呼ばれる二つのタンパク質について、折り畳み過程を観察しました。これらは共にαヘリックスを多く含む構造を持ちます。本研究では、βシートを多く含むタンパク質として、一本鎖モネリン（SMN）（図2）を選び、折り畳み過程の時分割SAXS観察を行い、異なる形状をもつタンパク質の折り畳み過程の特徴を比較しました。

２．研究成果と意義
　今回観測したSMNの折り畳みの様子を図3に示します。この図は、横軸がモネリンの回転半径、縦軸はモネリンを構成するアミノ酸の中でαヘリックスやβシートなどの二次構造を持つ割合（二次構造含量）に対応します。回転半径の値は時分割SAXS測定から、二次構造含量は円偏光二色性分光法^※7による時分割測定から得ました。図3の結果は、二次構造含量が少なく回転半径が大きい変性SMNが、折り畳み開始後300マイクロ秒以内に収縮した最初の中間状態に変化し、次に、約10msの時定数で次の中間状態を作った後に、約100msで最終的な折り畳み状態が作られることを示します。
　図3には、SMNについて得られた結果の他に、我々が以前に観測したシトクロムcやapoMbの結果も表示しました。これらの結果の比較から、SMNの特徴として、折り畳みの最初の段階で大規模な収縮を示すことが挙げられます。そのため、βシートを含むタンパク質は、αヘリックスを多く含むタンパク質より収縮しやすい性質を持つのではないか、と推論できます。我々は、このような速い収縮を可能にするために、SMNの構造の中のターンとよばれる部分が先に構造を作るのではないか、と考えました。

３．今後の期待
　今回の結果は、βシートを含むタンパク質の折り畳み過程について、はじめてリアルタイムで収縮過程を観察したものです。今回の結果が、ヘリックスを多く含むタンパク質と大きく異なっていたことは、タンパク質の構造形成を理解する上で、重要な情報になると思われます。このような情報を積み重ねることで、タンパク質の構造予測などの応用研究が進むと考えられます。
　本研究は、京都大学、大阪大学と理化学研究所の共同研究として行われました。本研究は理化学研究所による研究費の他、文部科学省の科学研究費補助金、科学技術振興調整費の支援を受けました。