大型放射光施設 SPring-8

公開日

2018年12月20日

2018年12月20日
大阪大学
高輝度光科学研究センター(JASRI)
理化学研究所
大阪医科大学

【研究成果のポイント】
♦ 非凍結結晶を安定に保ってX線結晶構造解析を行うことにより、天然に近い状態での酵素タンパク質の構造変化を明らかにした。
♦ 結晶温度を精密にコントールすることにより、酵素が働くときに起きる構造変化の熱力学解析に世界で初めて成功した。
♦ 結晶内でのタンパク質の動きは細胞内での挙動に近いことが判明した。

研究の背景
　タンパク質のX線結晶構造解析は、強力なX線で結晶が損傷を受けることを防ぐために、通常－170℃付近の極低温で凍結結晶を用いて行われます。得られる構造は、実際のタンパク質が機能する20℃付近での立体構造とは基本的に変わりませんが、凍結した際に、室温でとりうる多彩な構造のいくつかが失われてしまい、タンパク質が実際にどのように働くかということを説明できなくなることが指摘されていました。凍結していない結晶のX線回折測定は、これまで、石英チューブの中に結晶を封じ込めることによって行われてきました。しかし、この方法では測定時の温度を厳密に制御することができないという問題がありました。酵素を含むタンパク質の機能を理解するためには、一般には、温度条件が正確に管理された実験結果をもとに解析されますが、これまでのX線結晶構造解析では、その点が極めて不十分でした。このような状況の中、本論文の著者の一人である馬場主幹研究員らによって開発された、結晶をむきだしに近い状態のまま安定に保つことのできるHAG法を用いることによって、厳密な温度、湿度、およびpH条件が設定された非凍結結晶のX線結晶構造解析を行い、タンパク質の立体構造とその変化を詳細に決定することを実現しました。本研究において、実際に働いている状態のタンパク質を直接観察し、それについて熱力学的に定量的な評価をすることが可能となりました。また、今まで結晶構造は溶液構造と異なり非生理的なのではないかという懸念がありましたが、今回の結晶の熱力学解析で、むしろ結晶構造の方が細胞内のタンパク質の状態を反映しているという重要な知見も得られました。

本研究成果が社会に与える影響（本研究成果の意義）
　本研究成果により、機能している状態のタンパク質の構造変化を、熱力学的に理解する一般的な手法が開発されたといえます。各種タンパク質の機能を、立体構造や平衡状態の変化をもとに解明し、有用酵素の作製や酵素を阻害する薬剤の開発などにも役立たせる基礎的な方法論として発展が期待できます。

特記事項
　本研究成果は、2018年12月19日（水）（日本時間）に米国科学誌「Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America」（オンライン）に掲載されました。
　なお、本研究は、日本学術振興会科学研究費助成事業、創薬等ライフサイエンス研究支援基盤事業（AMED）による創薬等先端技術支援基盤プラットフォーム（BINDS）、および物質・デバイス領域共同研究拠点事業の支援を得て行われました。

用語説明