大型放射光施設 SPring-8

公開日

2016年02月23日

2016年2月23日
理化学研究所
東京大学
日本医療研究開発機構

背景
　白質消失病は、幼児期に発症し慢性的に進行する遺伝性の神経変性疾患で、運動機能の失調が主な症状です。この疾患は、ウイルス感染や軽度の頭部外傷による発熱といったストレスを契機として急速に症状が悪化し、多くの場合、数年の後に死に至ります。この疾患の患者では、大脳の白質が深刻なダメージを受けており、MRI画像では白質が消失したように見えることが病名の由来になっています。白質消失病は小児期に発症する白質変性疾患としては最も高頻度にみられ、eIF2Bタンパク質の遺伝子の変異が原因であることが分かっています。eIF2Bは、α、β、γ、δ、εの5種類のサブユニット2分子ずつから構成される巨大な複合体であり、細胞がタンパク質を合成する際に働く重要な翻訳開始因子です。eIF2Bは他の翻訳開始因子eIF2に結合したGDP（グアノシン二リン酸）をGTP（グアノシン三リン酸）に交換することでeIF2を活性化する機能を持ちますが、ストレスによってリン酸化されたeIF2を活性化することはできません。そのためストレス環境下では、細胞内の活性型eIF2の量が減少し、タンパク質合成は抑制されます。しかし、このストレス応答機構の詳細なメカニズムや白質消失病の発症との関連性は解明されておらず、現在のところ白質消失病に特化した有効な治療法はありません。また、eIF2Bを標的とした薬剤でストレス応答機構を抑制すると、プリオン病などの神経変性疾患の進行が遅れることや、膵臓がんの抗がん剤耐性が低下することが近年報告されており、eIF2Bの機能を分子構造のレベルで詳細に理解することの重要性が高まっています。

研究手法と成果
　研究グループは、大型放射光施設「SPring-8」を用いてX線結晶構造解析を行い、分裂酵母Schizosaccharomyces pombe由来のeIF2Bの立体構造を3.0Å（オングストローム、1Åは千万分の1 mm）の分解能で解明しました。その結果、リン酸化したeIF2の認識に関与するα、β、δサブユニットが構造の中心で六量体を形成し、eIF2の活性化に関与するγ、εサブユニットの二量体がその両側に1つずつ結合する、というeIF2B十量体の巨大な全体構造が明らかになりました（図1）。

　続いて、独自に開発した非天然型アミノ酸導入技術を用いるSurface-scanning photo-cross-linking法^[3]を使って、eIF2B がeIF2と相互作用する領域を解析しました。eIF2はα、β、γの3種類のサブユニットで構成される複合体です。eIF2のγサブユニットがeIF2Bのγεサブユニットの外側の面に、eIF2のαサブユニットがeIF2Bのαβδサブユニットで囲まれた中央部に、それぞれ結合することが明らかになりました（図2左）。GDPやGTPが結合するのはeIF2のγサブユニットであり、ストレスによってリン酸化されるのはeIF2のαサブユニットであるため、eIF2の活性化が外側の領域で、そしてリン酸化したeIF2の認識が中央部でそれぞれ行われると考えられます。
　解析により明らかになった2カ所のeIF2との結合領域は離れて位置しており、1分子のeIF2が両方の領域に同時に結合することも、2分子のeIF2がそれぞれ異なる領域に同時に結合することも、いずれも困難な位置関係でした（図2右）。

　また、eIF2のリン酸化によって、eIF2BとeIF2は強固な複合体を形成することが確認できました。これらから、ストレス環境下でリン酸化されたeIF2はeIF2Bの中央部に強く結合し、その結果、eIF2Bの外側の領域で行われるeIF2の活性化については、リン酸化したeIF2自身の活性化のみでなく、他のeIF2分子の活性化までもが妨げられる、という分子レベルでのストレス応答機構が明らかになりました（図3）。

　白質消失病患者にこれまでに確認されているeIF2Bの100カ所以上の変異の多くは、eIF2のγサブユニットとの相互作用領域（GDP/GTP交換に必要な部位）の周辺やeIF2Bのサブユニット間の相互作用面の近傍に位置していることが分かりました（図4）。このことは、白質消失病の発症が、遺伝子の変異により、eIF2BがeIF2と相互作用する部位や全体の構造が影響を受け、eIF2を活性化する能力が低下することと関連していることを示唆しています。
　以上のことから、ストレスを受けて一時的に一般的なタンパク質合成が抑制された後、抑制が解除されてストレス状態から通常状態へと回復する際にタンパク質を十分に合成できないために神経細胞が変性し白質消失に至ると考えられます。

今後の期待
　今回の成果によってはじめて、白質消失病やストレス応答機構について構造に基づいた議論が可能となり、eIF2Bの活性や構造安定性の低下が白質消失病の発症の要因となっている可能性が示唆されました。また、研究グループが提唱したストレス応答機構では、eIF2B上の2種類の相互作用領域の空間的な位置関係が重要な意味を持っており、ストレス応答機構を正確に理解するためには構造生物学的手法による更なる解析が不可欠です。これらの研究成果は、白質消失病の病態の理解や将来的なeIF2Bを標的とした治療法の開発へつながると期待できます。

※共同研究グループ
理化学研究所
横山構造生物学研究室
上席研究員 横山 茂之 （よこやま しげゆき）*

ライフサイエンス技術基盤研究センター 構造・合成生物学部門
翻訳因子構造解析研究ユニット
ユニットリーダー 伊藤 拓宏 （いとう たくひろ）*
特別研究員 柏木 一宏 （かしわぎ かずひろ）**
リサーチアソシエイト 高橋 真梨 （たかはし まり）
技師 西本 まどか （にしもと まどか） 

非天然型アミノ酸技術研究チーム
チームリーダー 坂本 健作 （さかもと けんさく）

エピジェネティクス制御研究ユニット
ユニットリーダー 梅原 崇史 （うめはら たかし）
元研修生 肥後 聡明 （ひご としあき）

生命分子システム基盤研究領域 システム研究チーム
元特別研究員 檜山 卓也 （ひやま たくや）

* 2012年3月まで、** 2014年3月まで東京大学大学院理学系研究科

《補足説明》
[1]　 翻訳開始因子
　細胞内でタンパク質の合成（翻訳）を行うリボソームが、合成を開始する際に必要とするタンパク質群。

[2]　 SPring-8
　理化学研究所が所有する、兵庫県の播磨科学公園都市にある世界最高輝度の放射光を生み出す共用施設。SPring-8の名前はSuper Photon ring-8 GeVに由来する。放射光とは、荷電粒子が磁場の中で曲がる際に放射される光の一種。SPring-8では、周回する電子群のサイズが小さいことや高い安定性のため、干渉性の優れたX線が得られる。

[3]　 Surface-scanning photo-cross-linking法
　タンパク質の表面にあるアミノ酸残基が非天然型アミノ酸であるパラベンゾイルフェニルアラニン(pBpa)に置き換えられた変異体を用いて、標的タンパク質との結合表面を特定する方法。pBpaは、光によって活性化されて近くの炭素原子と共有結合を形成する性質を持つため、pBpaが結合表面の近くに位置する変異体では標的タンパク質と結合する。さまざまな位置のアミノ酸残基をpBpaに置き換えて架橋形成の有無を調べることで、相互作用が起こっている領域を明らかにできる。