生命のエネルギー変換を司る酵素タンパク質が従来と異なる相互作用で機能することを解明

2016.09.20

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メディア掲載研究総合生命科学部プレスリリース

京都産業大学 生命科学研究科の馬場みほ里さんと東京大学工学系研究科野地研究室は、回転することで生命のエネルギー変換を司る酵素タンパク質が、鍵と鍵穴の例えで説明できない相互作用で機能することを明らかにしました。生命におけるエネルギー変換の仕組みの一端が解明されるとともに、タンパク質の人工設計に繋がる重要な知見を得ることができました。

回転分子モータータンパク質である V 型もしくはF 型のATP アーゼは、分子中心を貫く棒状の回転軸タンパク質の回転により、生命のエネルギー通貨であるATP の合成、細胞内部のpH 調整、細胞内の酸性小胞の酸性化などを担います。この回転運動は、中心回転軸を取り囲む球状の固定子部分での構造変化が回転軸に伝わることで起こります。従来、特定のアミノ酸残基間の相互作用や、鍵と鍵穴的な厳密に形に依存した相互作用により固定子から回転軸に力が伝わるとされてきました。
ところが、まったくアミノ酸の相同性がない外来の棒状分子をV 型 ATP アーゼの固定子部分に入れたところ、ATP の加水分解エネルギーによりこの棒状分子が回転しました。同じことがF 型ATP アーゼを使った実験系でも再現されました。
このことにより、固定子と回転軸の間の相互作用が、従来考えられているような厳密なものではないことが明らかになりました。人工的に作成した棒状分子が回転軸として働きうることが示され、人工分子モーターの設計に繋がる重要な知見が得られました。
 

研究の背景

図1. AとBタンパク質からなる6量体部分(固定子)でATPが分解されると中心の回転軸が反時計回りに回転する
F1およびV1型のATP 加水分解酵素は、ATP の加水分解にともなう化学エネルギーを、回転軸タンパク質の回転運動エネルギーに変換する生体分子機械です。この回転運動は、ミトコンドリアでのATP の合成、細胞内pH の調節、細胞内小胞の酸性化、がん細胞の浸潤、破骨細胞での骨の分解等、様々な生命現象を支える最も重要な生命のエネルギー変換機構です(補足資料1)。しかしながら、ATP 加水分解という化学エネルギーを、回転という運動エネルギーに変換する仕組みの解明は、解決すべき課題として未だ残されています。F1/V1 は、6個のタンパク質からなる球状の固定子部分と固定子の中心を貫く棒状の回転軸タンパク質から構成されています(図1)。ATP を加水分解することで起こる固定子の構造変化が、なんらかの相互作用で回転軸を回転させます。固定子や回転軸を構成するタンパク質のアミノ酸配列およびその構造が良く保存されていることから、厳密に形に依存する(鍵と鍵穴の関係)、もしくは保存されているアミノ酸残基間の相互作用が固定子-回転軸間にあり、それが回転力発生に必要であると考えられてきました。

結果

京都産業大学の馬場らは、V1の本来の回転軸タンパク質を、アミノ酸配列の相同性がない外来の棒状タンパク質に置き換えたキメラV1を作成しました。この棒状タンパク質に光学顕微鏡で観察できるビーズを結合させ、ATPを加えたところ、本来のV1 でみられる反時計回りの回転が観察されました(図2)。回転速度からキメラV1 が発生する回転力(トルク)を測定したところ、本来の軸部分が発生するトルクとほぼ同じでした。これらの結果から、特定のアミノ酸残基や厳密な形に基づく固定子-回転軸間の相互作用は、トルク発生に必要でないことが明らかになりました。同様の実験を東京大学のグループがF1で行ったところ、再現性のある結果が得られました。固定子と回転軸間の相互作用は、従来予想されていたような厳密なものでなく、おおまかな形に依存したものと予想されます(図3)。また、固定子の中心に棒状の物質が入りさえすれば、回転子として機能する可能性が示されました。
図2.回転観察実験の模式図。固定子部分をガラスに固定し、回転軸に観察用ビーズを結合させる
図3.形の厳密なフィットがなくても回転する

展望

生命の仕組みを理解するには、酵素タンパク質の機能を知る必要があります。タンパク質を設計し作ることは容易でなく成功例もほとんどないが、それはタンパク質の設計原理が理解されていないからです。今回の研究成果は、タンパク質の機能が従来考えられてきたより「*ロバスト」であることを証明しました。F1/V1の固定子部分のロバスト性を利用して、たとえばカーボンナノチューブなどの機能性素材を回転軸として機能させることができれば、自立運動するナノマシンになりえます(補足資料2)。タンパク質設計原理の理解が進めば、人工分子モーター、人工酵素、人工抗体などの産業応用可能な人工タンパク質の合成に繋がることが期待されます。

*ロバストネスまたはロバスト性とは、ある系が応力や環境の変化といった外乱の影響 によって変化することを阻止する内的な仕組み、または性質のこと。ロバストネスを持つような設計をロバスト設計、ロバストネスを最適化することをロバスト最適化という。

補足資料

補足資料1

回転分子モータータンパク質(F型およびV型ATPアーゼ)の機能。(a) F型ATPアーゼはミトコンドリアでATPを合成する。(b) 細胞内小胞の酸性化、(c) がん細胞の浸潤、(d) 破骨細胞による骨の分解。ATPアーゼは、赤または赤丸で示した。
c, d は、Forgac M. Nat. Rev. Mol. Cell. Biol. 8, 917-29 (2007) より引用

補足資料2

プロペラ型の回転軸を持つ回転分子モーターを作成し、抗がん剤を閉じ込めたカプセルに入れる。ATPにより自律的に運動するので、単なる拡散よりも早く目的の箇所に到達する。
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京都産業大学 広報部
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