大型放射光施設 SPring-8

公開日

2023年04月04日

2023年4月4日
岡山大学
自然科学研究機構
京都大学

◆発表のポイント
・尿路結石形成の原因となるシュウ酸を分解する腸内細菌に存在し、菌内へのシュウ酸吸収を担うシュウ酸輸送体の立体構造を解明しました。
・シュウ酸輸送体は、腸内のシュウ酸に似た形の他の栄養素とシュウ酸を見分け、シュウ酸だけを効率よく菌内に運ぶ仕組みを持つことを明らかにしました。
・今後研究が進むことで、尿路結石症を軽減する治療法開発につながることが期待されます。

＜現状＞
　私たちは、日々の食事を通して、野菜・お茶・ナッツ類などの食品から、シュウ酸を摂取しています。一方、体内のシュウ酸量が過剰となると、血中に含まれるカルシウムと不溶性の塩を形成し、尿路結石の原因となります。この尿路結石は、3大激痛の1つとも言われる激しい痛みを引き起こします。
　私たちの腸内には腸内細菌と呼ばれる多種多様な細菌が共生していますが、このうちの1種であるシュウ酸分解菌O. formigenesは、上述した私たちのシュウ酸代謝と深い関わりを持ちます。この菌は、腸内のシュウ酸を唯一の炭素源として吸収し、その分解によってエネルギーを得て生息しています。かたや私たちにとっては、このシュウ酸分解菌のはたらきのおかげで尿路結石形成のリスクが減少しており、シュウ酸分解菌とはwin-winの関係を結んでいると言えます。実際、何らかの事情で腸内に同菌がいないか少ない人は、尿路結石形成のリスクが高いことが知られています。
　シュウ酸分解菌O. formigenesに存在するシュウ酸輸送体OxlTは、この過程の鍵とも言える、シュウ酸の菌体内への吸収と、その分解産物であるギ酸の菌体外への排出を担っています。この過程は、私たちが食品から摂取し、消化された多種多様な物質が流れている腸内環境下で起こりますが、OxlTがどのようにしてその中からシュウ酸だけを見分けて菌体内に取り込んでいるのか、詳しいメカニズムはわかっていませんでした。

＜研究成果の内容＞
　研究グループは、大型放射光施設・SPring-8（兵庫県佐用町）を用いて、X線結晶構造解析によりOxlTの立体構造を解明しました。異なる条件下で得られた2種類の結晶を解析した結果、1つはシュウ酸の輸送経路を菌体の外（腸内側）に開いた「外開き構造」、1つはシュウ酸を結合し輸送経路を閉じている「閉じ構造」という、OxlTが輸送の各段階でとる構造のうちの2段階の構造がわかりました。OxlTは、「外開き構造」では、正電荷を帯びた輸送経路を開いており、シュウ酸が結合しない限り電荷反発で経路を閉じられない一方、負電荷を帯びたシュウ酸が結合すると、電荷が中和され輸送経路を閉じて次の段階である「閉じ構造」に移行できる仕組みとなっていました。また、「閉じ構造」では、OxlT分子の中心に基質結合ポケットが形成され、その中にシュウ酸を結合している様子が明らかになりました。シュウ酸はカルボキシ基を2つ持つジカルボン酸ですが、クエン酸回路の代謝産物の1つであるコハク酸をはじめとする様々なジカルボン酸は、腸内を流れる栄養素の中にも、シュウ酸分解菌内にも存在します。一方、OxlT内の結合ポケットは、炭素数2の最小のジカルボン酸であるシュウ酸であれば収まることができ、炭素数4のコハク酸などシュウ酸よりも大きいジカルボン酸は、大きすぎて収まらないことがわかりました。このことにより、私たちや分解菌にとって栄養素となるシュウ酸以外のジカルボン酸については、誤って菌内に取り込んだり菌内から排出したりしない仕組みとなっていました。
　今回のOxlTの2種類の構造で見られたように、一般的に輸送体タンパク質は、構造を変えながら物質を細胞の外から中へ輸送します。OxlT分子は、構成アミノ酸の約8分の1を柔軟性が高いグリシンが占めており、構造変化が起こりやすい柔軟な構造を持っていることがわかりました。また、その変化をコンピュータシミュレーションした結果、輸送経路を閉じているたった1つのアミノ酸が向きを変えると、掛け金が外れたように輸送経路を開き、「閉じ構造」から「外開き構造」に転換することがわかりました。このような構造変化の起きやすい構造的特徴が、OxlTによる効率のよいシュウ酸吸収とギ酸排出を支えているものと考えられます。

＜社会的な意義＞
　今回OxlTによるシュウ酸輸送の最初の2段階の構造が初めて明らかになりました。現在、尿路結石発症原因となる高シュウ酸尿症改善法の1つとして、シュウ酸分解菌の経口投与が検討されています。本研究で得られる知見は、シュウ酸吸収条件の最適化など、同菌に着目した治療法開発の基盤となることが期待できます。

■研究資金
　本研究は、日本学術振興会・科学研究費補助金（JP20H03195, JP18H02415, JP26440086）、公益財団法人小柳財団、公益財団法人武田科学振興財団、国立研究開発法人日本医療研究開発機構・創薬等先端技術支援基盤プラットフォーム事業（JP20am0101079）の支援を受けて実施しました。