大型放射光施設 SPring-8

公開日

2025年10月09日

2025年10月9日
国立大学法人 奈良先端科学技術大学院大学
公益財団法人高輝度光科学研究センター
東京理科大学

●細菌の生存に必須な細胞壁の部品を輸送する細胞膜のタンパク質MurJに、細菌に感染するウイルス（バクテリオファージ）の小型溶菌ペプチドLysMが直接結合して固定し、輸送機能を阻害する仕組みを解明しました。
● クライオ電子顕微鏡 (cryo-EM)によってMurJとLysMの立体構造を決定し、LysMのMurJ阻害機構を分子レベルで解明しました。
● 強力な溶菌活性を持つLysMは、耐性菌や細菌種に応じた改変型LysMの開発など、新しい抗生物質開発に役立ちます。

真正細菌は、細胞膜の外側に細胞の形を維持するための細胞壁を持っています。ペニシリンなど多くの抗生物質は、この細胞壁の合成を妨げることで効果を発揮します。細胞壁の合成には、細胞質でつくられる前駆体分子「Lipid II（リピドII）」が必要であり、MurJはこのリピドIIを細胞膜の内側から外側へ運ぶために欠かせない膜タンパク質です。MurJは、細胞質側またはペリプラズム側に向かってV字型に開いた「内向き型」と「外向き型」の2つの状態を交互に繰り返すことで、リピドIIを輸送します（図1）。
一方、細菌に感染するウイルス（バクテリオファージ）の中には、宿主の細胞壁を破壊する小型タンパク質を持つものがあります。特に、LevivirusファージM由来の37アミノ酸からなるタンパク質LysM（別名 SglM）は、MurJを阻害して細胞壁前駆体リピドIIの輸送を止め、細胞壁の合成を妨げることで細菌を溶菌させます。しかし、その詳細な阻害機構はこれまで不明でした。本研究では、クライオ電子顕微鏡(cryo-EM)による構造解析を中心に、LysMがMurJをどのように阻害し、リピドIIの輸送を停止させるのかという分子メカニズムを解明することを目指しました。

本研究では、LysMがMurJにどのように結合し、その機能を阻害するのかを明らかにするために、MurJとLysMの立体構造解析を行いました。MurJとLysMの複合体（JM（ジャム）複合体: 詰まるという意味をこめてジャム複合体と読む）を精製し、クライオ電子顕微鏡により3.09Å分解能^（注3）で複合体の立体構造を決定しました（図2）。得られた構造は、MurJが「外向き型」構造に固定された状態であり、その開口部にLysMがくさび状に結合している様子が可視化されました。LysMは二本のヘリックス（らせん構造）から構成され、膜内に深く埋まる部分と膜表面に沿って配置される部分を持つことが示されました。LysMがMurJの外向き型構造の割れ目にくさびのように入り込むことで、MurJが本来行うべき構造変化を物理的に妨げている様子が明らかになりました。

さらにLysMのどの部分が機能に重要かを調べるため、変異体を用いた解析によってLysMの機能に不可欠なアミノ酸残基を同定しました。これらのアミノ酸残基は、構造解析においても直接的に接触する領域であることが確認されました。
また既知の構造との詳細な比較により、LysMは、MurJの構造変化に重要な領域(TM7)に相互作用することが明らかとなりました（図3）。つまり、TM7の構造変化はG239を中心に起きるが、LysMはG239付近に結合することでTM7を直線状に固定化することが判明したのです。LysMの結合は、MurJを外向き型構造に安定化させることが示されました。
一方、これまで報告されている内向き構造では、TM7はG239を中心に大きく折れ曲がっています。このLysMによる安定化は分子動力学計算によってもサポートされました。これらの結果を総合して、LysMはMurJの動きを固定化することでリピドIIの輸送を停止させ、その結果、細胞壁合成を阻害し細菌の生存を妨げるという作用モデルを提案しました。

本研究により、LysMがMurJに結合してその動きを阻害する分子メカニズムが明らかになりました。この成果は、細菌が生きるために必須な膜輸送体の動作原理を理解するうえでも大きな意義を持つだけでなく、MurJを標的とする新しい抗菌薬の開発につながります。今後は、この作用メカニズムを基盤として、LysMの宿主特異性を改変し、耐性菌を含む多様な病原性細菌にも応用できるMurJ阻害型の創薬研究を進めていきたいと考えています。

【用語解説】