ジスルフィド結合導入酵素によるたんぱく質の立体構造形成促進機構を解明 ～構造異常たんぱく質が引き起こす神経変性疾患などの原因解明に光～

【ポイント】

• 高速原子間力顕微鏡を用いた観察により、ジスルフィド結合導入酵素プロテインジスルフィドイソメラーゼ（PDI）が、構造未成熟な基質を捕獲する様子を可視化することに世界で初めて成功した。
• 高速原子間力顕微鏡により捉えたPDIの動きが、たんぱく質の効率的な立体構造形成促進に重要であることを明らかにした。
• PDIの基質認識機構および立体構造形成促進機構に対する理解が深まったことにより、構造異常たんぱく質が引き起こす種々の疾病の成因解明につながると期待される。

【概要】

　東北大学 学際科学フロンティア研究所の奥村正樹助教、東北大学 多元物質科学研究所の稲葉謙次教授（生命科学研究科、大学院理学研究科化学専攻 兼任）、熊本大学 発生医学研究所の小椋光教授、野井健太郎博士(現 大阪大学 ナノサイエンスデザイン教育研究センター 特任助教)らの研究グループは、JST戦略的創造研究推進事業において、高速原子間力顕微鏡^注１）により、ジスルフィド結合^注２）導入酵素プロテインジスルフィドイソメラーゼ（PDI）が構造未成熟な基質を捕獲する様子を可視化することに世界で初めて成功し、同酵素によるたんぱく質の立体構造形成促進機構に関する全く新しい概念を提唱しました。
　細胞内には、たんぱく質高次構造の形成反応を促進する仕組みがあります。特に構造未成熟なたんぱく質の構造修復の仕組みは、我々の生体内で不良たんぱく質の蓄積を防ぐために必要不可欠です。しかしながら、いまだどのようにして細胞内の補助因子が構造未成熟なたんぱく質を認識し、構造修復のため働いているのかよくわかっていませんでした。
　PDIファミリーたんぱく質^注３）の１つであるPDIは、哺乳動物細胞の小胞体^注４）内で、立体構造形成前のたんぱく質にジスルフィド結合を導入させたり誤って形成されたジスルフィド結合を修復したりなどの機能を担っています。PDIの結晶構造^注５）は４つのドメインから構成されるＵ字構造であり、動きに富むことが示唆されていましたが、この動きがPDIの機能発現にどう関わるか解明されていませんでした。
　そこで、高速原子間力顕微鏡による１分子レベルでの観察により、PDIが酸化還元状態依存的にドメインの動きを制御していることを明らかにしました。さらに、BPTI、RNaseA、ラミニン、プラスミノーゲンといった形や大きさ、ジスルフィド結合の数が異なるさまざまな基質を還元変性させた状態で添加すると、PDIは二量体へ会合し、その中央に形成される空間（キャビティ）に基質が取り込まれる様子を観察することに世界で初めて成功しました。これにより、PDIが触媒するたんぱく質の酸化的フォールディング^注６）の全く新しいモデルを提唱するに至りました。
　本研究成果は、２０１９年４月１５日１６時（英国時間）に「Nature Chemical Biology」のオンライン速報版で公開されます。

※用語解説
注１） 高速原子間力顕微鏡（高速AFM）
　基板に固定した分子を、先が極めて細い針で触れながら高速に走査することで、分子の形状と動きを一分子レベルでリアルタイムに観測するナノテクノロジー。
注２）ジスルフィド結合
　近接する２つのシステイン残基のチオール官能基（－SH）が酸化され、硫黄原子間で架橋される共有結合。たんぱく質の立体構造形成を安定化する役割がある。
注３）PDIファミリーたんぱく質
　ジスルフィド結合の形成、組み換え、開裂を担う小胞体中に存在する酵素群のこと。ヒト細胞の小胞体中では２０種類以上のPDIファミリーたんぱく質が存在する。
注４）小胞体
　細胞内小器官の1つであり、分泌たんぱく質が合成される。この区画で、分泌たんぱく質は酵素依存的に糖鎖修飾やジスルフィド結合形成を受ける。
注５）結晶構造
　Ｘ線結晶構造解析と呼ばれる手法によって決定される分子構造。多くの場合は高分解能であり、原子レベルで分子構造を決定することができる。
注６）酸化的フォールディング
　ジスルフィド結合形成と共役して、たんぱく質の立体構造が形成される反応のこと。インスリンや免疫グロブリンなど医学的にも重要な多くのたんぱく質も、このプロセスを経て、立体構造および生理機能を獲得する。
注７）分子シャペロン
　たんぱく質の立体構造形成を助ける分子の総称。多くは、たんぱく質の凝集を抑制する役割を有する。「シャペロン」とはフランス語で若い女性が社交界デビューする際の介添人を意味する。
注８）神経変性疾患
　中枢神経を構成する特定の細胞群が死ぬために発症する脳神経疾患の１つ。構造異常たんぱく質の蓄積や沈着が神経細胞群の死を引き起こす主要因の１つと考えられている。

【論文情報】

雑誌名：Nature Chemical Biology, UK
論文タイトル：Dynamic assembly of protein disulfide isomerase in catalysis of oxidative folding（酸化的フォールディング触媒におけるPDIの動的会合機構の解明）
著者名：Masaki Okumura, Kentaro Noi, Shingo Kanemura, Misaki Kinoshita, Tomohide Saio, Yu-ichi Inoue, Takaaki Hikima, Shuji Akiyama, Teru Ogura, and Kenji Inaba
DOI：10.1038/s41589-019-0268-8

【詳細】

プレスリリース（PDF1448KB）