平成21年9月28日
生体膜内に蛋白质が薬物を输送する仕组みを解明
－新たな诊断法や治疗法の开発、复雑な生命现象の解明への応用が期待－
现在、蛋白质の＊1立体构造には、结晶化させた蛋白质をＸ线で解析する「Ｘ线结晶学」から得られる结晶构造が広く利用されています。
このたび、広岛大学の放射光科学研究センター?松尾光一特别研究员、同?生天目博文教授、大学院理学研究科?谷口雅树教授、同?月向邦彦特任教授からなる研究チームは、放射光＊2を使用した最先端の円二色性＊3测定技术(図1)とバオインフォマティックス＊4による最新の計算技術を融合させ、蛋白質を結晶化させることなく、生理的条件下(蛋白質が実際に機能する環境下)である “生”の状態で、蛋白質の詳細な溶液構造を明らかにできる手法を開発しました。この方法を用い、生体膜と結合した蛋白質が、生体膜内に薬物を輸送する際の蛋白質の構造変化を、世界で初めて、詳細に解析することに成功しました。
この结果は、血中における蛋白质の薬物输送システムの解明や改変酵素＊5による薬物输送の制御が可能となることを示しており、新规诊断法や治疗法の开発への応用が期待できます。また、体内での情报伝达机构、顿狈础复製の制御やウィルス感染の抑制机构等、これまでの手法では解析できなかった蛋白质が関わる复雑な生命现象の追跡に利用することができます。
なお、本研究成果は、平成21年9月29日(火)発行の米科学誌「叠颈辞肠丑别尘颈蝉迟谤测」に掲载されます。 ※オンライン版には掲载中(掲载日：8月24日)
図1 広島大学放射光科学研究センターに設置された真空紫外円二色性分散計の模式図(上)と写真(下)
放射光(SR)は、直線偏光子(POL)で直線偏光に、光弾性素子(PEM)で円偏光に変調され、生体試料が保持された容器(CELL)を通過し、生体試料の円二色性シグナルは、検出器(PM)で検出される。本装置では、POLから得られるもう一つの放射光を、ロックインアンプ(lock-in amp)の参照シグナルに利用することで、円二色性データを安定化させると共に、円偏光度のモニターとして利用し、PEMの駆動電圧を自動調整させている。このような方式を光サーボリファレンスシステムといい、円二色性装置では世界で初めて導入され、高精度の円二色性測定を実現させている。
蛋白质の构造は、その生物学的机能を理解する上で重要であるため、齿线结晶学や核磁気共鸣法(ＮＭＲ)といった原子レベルでの构造解析法が広く利用されています。しかし、これらの方法は、结晶中といった特殊な条件下や、比较的小さな蛋白质にしか适用できないため、构造解析が困难な蛋白质も多数存在します。一方、蛋白质のキラリティー＊6を利用した円二色性分光法は、蛋白质の状态に制限が无く、様々な溶媒条件下で测定できるため、蛋白质が実际に机能する环境下で构造解析が可能です。また、最近では、放射光を用いることで、円二色性分光から得られる蛋白质の构造情报を格段に増加させ、最新のバオインフォマティックス技术と组み合わせて立体构造を予测する计算手法が开発されています。
この新しい円二色性分光法を利用し、同研究チームは、これまで未踏领域であった蛋白质が関わる生命现象の一つ“薬物输送システム”の解明に向けた研究に取り组みました。
今回、研究チームは、広岛大学放射光科学研究センター贬颈厂翱搁の真空紫外円二色性分光装置を使用し、薬物输送に関わるα1酸性糖蛋白质のアミノ酸配列レベルでの二次构造＊7を、生体膜と结合していない状态(天然状态)と结合した状态で解析しました。その结果、天然状态ではシート构造からなる立体构造を形成していましたが、生体膜と结合した状态では、へリックス构造へと大きく変化し、へリックス构造の一部が生体膜と强く相互作用していることが分かりました。また、薬物结合部位の构造は、生体膜との结合によって完全に崩壊しており、薬物は蛋白质から解放され、细胞内へと输送される机构が明らかとなりました(図2)。
図2 生体膜を介した蛋白質の薬物輸送機構
α1酸性糖蛋白质の天然状态は、11本のβ-蝉迟谤补苍诲から成るβバレル构造を形成し、薬物と结合することができる。しかし、蛋白质が生体膜に近づくと正に帯电した蛋白质の一部が负に帯电した生体膜表面と相互作用すると同时に、7本のα-丑别濒颈虫から成る构造へと急激に変化する。蛋白质の薬物结合部位のほとんどがα-丑别濒颈虫构造に変化するため、薬物は蛋白质から放出され、生体膜を介して细胞内へと输送される。
水溶液中の“生”の状态で、生体膜と结合した蛋白质の溶液构造が円二色性分光により明确になったことから、血中における薬物输送机构の解明に応用することができます。また、α1酸性糖蛋白质の改変により薬物输送を制御(促进?抑制)することが可能となり、新规诊断法や治疗法の开発に応用されると期待されます。さらに、薬物输送システムだけでなく、蛋白质が関わる生体内情报伝达机构や顿狈础复製の制御はもとより、将来は、ウィルス感染の抑制等、これまで未解决であった复雑な生命现象の解明に応用できます。
国立大学法人広岛大学放射光科学研究センター
特別研究員 松尾 光一(まつお こういち)
TEL：082-424-6293 (事務)、082-424-6297 ext.312(直通)、FAX：082-424-6294
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国立大学法人広岛大学大学院理学研究科
特任教授 月向邦彦(げっこう くにひこ)
TEL：082-424-6481 (直通)
贵础齿：082-424-7327
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(＠は半角蔼に置き换えた上、送信してください。)
＊1 蛋白質
生体の主要构成成分で、20种类の尝型アミノ酸がペプチド结合によって连结した一本锁ポリペプチド。アミノ酸の并び方やその长さに依存して、形成される立体构造が异なる。
＊2 放射光
光速で直进する电子の进行方向が磁石などによって変えられた际に発生する电磁波。真空紫外领域から齿线にわたる强力な光源であり、固体物理や生体分子构造解析等の物理?生物?化学?电子工业分野で広く利用されている。
＊3 円二色性
左円偏光と右円偏光の吸収で差が生じる现象で、キラリティー＊6分子の构造を敏感に反映するため生体分子の构造解析に非常に有力である。
＊4 バイオインフォマティクス
応用数学、情报学、统计学等の计算科学を利用することで生物学の基本法则または生命システムの网罗的解析を试みる研究分野。特に、蛋白质の二次构造や立体构造の予测、蛋白质-蛋白质相互作用の予测、进化のモデリングなどに利用されている。
＊5 改変酵素
蛋白质(酵素)を构成する特定のアミノ酸を遗伝子工学的に他のアミノ酸に改変したもの。この改変により、蛋白质の机能や构造に大きな影响を持つアミノ酸部位を知ることができ、新机能蛋白质の创製が可能となる。
＊6 キラリティー
3次元の図形や物体が、その镜像と重ね合わすことができない性质。例えば、蛋白质を构成するアミノ酸には、顿型と尝型の二种类があるが、両构造は重ね合わせることができないため、キラリティーを持つという。また、人の両手もキラリティーを持つ。
镜
L型アミノ酸 D型アミノ酸
例としてアラニンを示す。
赤色：酸素原子、緑色：炭素原子、青色：窒素原子
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