大型放射光施設 SPring-8

公開日

2013年04月23日

2013年4月23日
独立行政法人理化学研究所

本研究成果のポイント
• 今まで知られていなかったTRPチャネルの機能制御領域の立体構造を解明
• 機能制御領域のタンパク質が束になったり離れたりして複数の刺激に柔軟に応答
• 重要な創薬の対象であるTRPチャネルの分子機能理解に貢献

背　景
　細胞やその細胞内にある細胞小器官の膜（生体膜）には、外界からの刺激を受け取り、それを情報に変換する受容体と呼ばれるタンパク質があります。ある刺激を受容体が受け取ると、それをきっかけに細胞同士や細胞内外の情報伝達が行われ、特定の生理現象を発生させるなど、生体の生命活動の維持に重要な役割を持っています。受容体の1つに生体膜に存在する膜貫通タンパク質のイオンチャネル型受容体があり、チャネルの開閉によってカルシウムイオンなどのイオンを透過させることで情報伝達を担います。イオンチャネル型受容体の一種であるTRP（Transient receptor potential）チャネルは、温度や化学物質、浸透圧などのさまざまな刺激に応答することが知られています。
　ヒトは27種類のTRPチャネルを持っており、これらは、よく似た構造と機能を持つイオンの透過領域と、各種類に応じて多様な構造や機能を持つ細胞内領域からなると推測されており、外部からの刺激を感知するセンサータンパク質としての機能や、味覚をはじめとする感覚受容のシグナル伝達など、生命活動のなかでも重要な機能に関わっています。また、TRPチャネルの一部が痛みの受容にも関わることから、TRPチャネルを標的とした鎮痛薬開発も進められているところです。
　一方で、TRPチャネルには不明な点も多く、例えばTRPチャネルの1つであるカプサイシン受容体TRPV1は、化学物質による刺激や温度・浸透圧の刺激に応答するなど、TRPチャネルは一般的に複数の異なる刺激に応答する機能を持っていますが、そのメカニズムは分かっていません。過去の研究により、電子顕微鏡を使った低い分解能でのTRPチャネル全体像は解析されていますが、全体の高い分解能での立体構造が解明されていないだけでなく、チャネルの開閉制御に関わる領域の立体構造もごくわずかな例しか報告されていません。そこで、共同研究グループは、TRPチャネルの特徴的な機能を生み出す立体構造の詳細な解明に挑みました。

研究手法と成果
　共同研究グループは、酵母や真菌類が比較的単純な構造のTRPチャネルを持つことに着目しました。さまざまな酵母・真菌類のTRPチャネルを調べた結果、小麦などに赤カビ病を引き起こす植物病原菌から、新たなTRPチャネル「TRPGz」を発見しました（図1）。TRPGzを出芽酵母で発現させて機能解析を行った結果、TRPGzが生体膜外の浸透圧上昇・温度上昇・高酸化状態や、細胞内カルシウムイオン濃度上昇、膜電位変化など多様な刺激に応答してチャネルを開く、つまりTRPチャネルの基本モデルともいえる機能を有していることが分かりました。さらに、TRPGzの生体膜内側に機能制御領域が存在し、浸透圧や温度上昇の刺激に応答してチャネルを開く「浸透圧・温度上昇応答モジュール」としてはたらく領域が存在することを見つけました。また、浸透圧や温度上昇などの刺激によって生体膜に一定量増加するPIPx（ホスファチジルイノシトールリン酸）に結合することでチャネルを閉じる「PIPx結合応答抑制モジュール」の存在も確認できました（図2）。
　さらに、これらのモジュールを含む機能制御領域について、SPring-8のビームラインBL41XUおよびBL26B2を用いたX線結晶構造解析や、NMR（核磁気共鳴）スペクトル測定を行ったところ、「浸透圧・温度上昇応答モジュール」は4本のαへリックス構造^※5から構成されていて「弱い」相互作用で1つに束ねられた「ヘリックスバンドル」構造をとっていることが明らかになりました（図2）。これまでこのモジュールの構造はアミノ酸配列から「コイルドコイル」と呼ばれる常に「強い」相互作用で束ねられている状態であると推測されていましたが、今回の解析により、常に1つに束ねられているわけではなく、必要に応じて容易にばらばらになる性質を持つことが分かりました。そして、このモジュールが束ねられているときにだけ、TRPGz浸透圧や温度上昇に対して応答し、チャネルを開くことも分かりました。
　また、機能制御領域のうち浸透圧・温度上昇制御モジュール以外の部分は、タンパク質が特定の立体構造をとらず、ひものようにぶらぶらとした柔軟な構造をしていることも判明しました。こうしたダイナミックな構造的特徴が、「PIPx結合応答抑制モジュール」などの制御モジュールが柔軟にさまざまな刺激と反応することを可能にしており、1つのチャネルが複数の刺激に応答できる仕組みの一端となっていることが示唆されました。（図3）

今後の期待
　外界からのさまざまな刺激を感知する感覚受容は、生体反応の中でも仕組みの解明が進んでいない領域の1つです。今回、味覚をはじめ多くの感覚受容で複数の刺激に応答し、ヒトにおいても重要な役割を果たしているTRPチャネルの機能の仕組みの一端を明らかにしたことは、外界からのさまざまな情報を認知する感覚受容への理解を促す一歩となります。また、TRPチャネルの機能不全でいくつかの腎疾患などが起こることが分かっており、TRPチャネルの分子機能を応用した鎮痛薬などの治療薬の開発も進められています。今回明らかになった構造的な性質も含め、今後TRPチャネルが機能する仕組みを詳しく明らかにしていくことで、これらの治療薬開発にも貢献すると期待できます。

《参考図》

《用語解説》
※1　TRPチャネル
生体内で温度感覚、痛覚、味覚などさまざまな感覚受容に関わる膜貫通タンパク質のチャネル型受容体。種々の外界からの刺激に対する“センサー”として働く。TRP チャネルはヒトやげっ歯類、鳥類、ショウジョウバエ、線虫、ゼブラフィッシュなどにおいて視覚、味覚、嗅覚、聴覚、触覚、温覚、その他さまざまな物理・化学刺激の受容にきわめて重要であることが確認されている。

※2　イオンチャネル受容体
生体膜を貫通している膜タンパク質で、イオンを通過させるポアと呼ばれる構造があり、ゲートと呼ばれる部分の開閉によってイオンの流れを制御して、膜内外における電位やイオン濃度の変化を引き起こし、迅速に情報を伝達する。

※3　大型放射光施設SPring-8
理研が所有する兵庫県の播磨科学公園都市にある世界最高の放射光を生み出す放射光施設。利用者支援は高輝度光科学研究センター（JASRI）が行っている。SPring-8の名前は Super Photon ring-8 GeVに由来。放射光とは、電子を光とほぼ等しい速度まで加速し、電磁石によって進行方向を曲げた時に発生する、細く強力な電磁波のこと。SPring-8では、この放射光を用いて、ナノテクノロジー、バイオテクノロジーや産業利用まで幅広い研究が行われている。

※4　NMR（核磁気共鳴）
原子核を強い磁場に置くと、原子核の磁気スピンが磁場に沿って整列するが、ここに特定の電磁波を照射すると、「共鳴」が起き電磁波が吸収される現象のこと。原子核の周りの電子の状態や原子の結合状態を知ることができるため、タンパク質の立体構造情報を知ることができる。結晶構造解析と異なり、溶液中の状態でも構造を知ることができる。

※5　αへリックス構造
タンパク質が取る二次構造（折り畳まれた部分構造）の1種。タンパク質を構成するポリペプチド鎖が右巻きらせん状に折り畳まれた構造のこと。