大型放射光施設 SPring-8

公開日

2019年05月03日

2019年5月3日
理化学研究所

※研究グループ
理化学研究所　生命機能科学研究センター
　翻訳構造解析研究チーム
　　チームリーダー　伊藤　拓宏　（いとう　たくひろ）
　　研究員　柏木　一宏　（かしわぎ　かずひろ）
　　技師　西本　まどか（にしもと　まどか）
　　技師　高橋　真梨　（たかはし　まり）
　　技師　坂本　恵香　（さかもと　あやこ）
　タンパク質機能・構造研究チーム
　　チームリーダー　白水　美香子（しろうず　みかこ）
　　研究員　横山　武司　（よこやま　たけし）
　創薬タンパク質解析基盤ユニット
　　テクニカルスタッフI　米持　まゆ美（よねもち　まゆみ）

※研究支援
　本研究は、日本学術振興会（JSPS）科学研究費補助金 新学術領域研究（研究領域提案型）「ピコルナウイルスの2Ａペプチドの終止コドン非依存的翻訳終結の構造基盤（研究代表者：伊藤拓宏）」、「ウイルスが引き起こす非標準的な翻訳機構の構造基盤（研究代表者：伊藤拓宏）」、同基盤研究（B）「HCV IRESによるリボソーム・ハイジャックの分子機構（研究代表者：伊藤拓宏）」、同若手研究「ストレス環境における翻訳開始因子eIF2Bの活性阻害機構の解明（研究代表者：柏木一宏）」、日本医療研究開発機構（AMED）創薬等ライフサイエンス研究支援基盤事業 創薬等先端技術支援基盤プラットフォーム（BINDS）「統合的構造解析に向けた高難度複合体の生産支援と高度化（研究代表者：白水美香子）」および武田科学振興財団ライフサイエンス研究奨励「真核生物の翻訳開始制御機構の解明（研究代表者：伊藤拓宏）」による支援を受けて行われました。

背景
　タンパク質の合成反応である「翻訳」は、その原材料となるアミノ酸の生合成まで含めると、全体として非常に多くのエネルギーを消費する過程です。細胞が正常な活動ができなくなるほどのストレスを受けると、エネルギーを節約し、さらにストレスによって引き起こされるタンパク質合成のエラーを防止するために、翻訳を全体的に抑制します。そして特定のストレス応答タンパク質の合成を始めることで、ストレス環境への適応を行います。このようなストレスによる翻訳の制御には、翻訳開始因子「eIF2」のサブユニット（eIF2α）のリン酸化が重要であることが知られています。 eIF2は、三つのサブユニット^[5]（α、β、γ）からなるGタンパク質^[6]で、γサブユニット（eIF2γ）がGTP^[6]またはGDP^[6]と結合します。eIF2は、別の翻訳開始因子「eIF2B」によってGDP結合型（不活性型）からGTP結合型（活性型）へと変換されることで活性化され、翻訳に参加できるようになります。翻訳に参加したeIF2は、活性型から不活性型に戻り、次の活性化を待ちます（図1）。

　しかし、ストレスによってeIF2がリン酸化されると、eIF2Bによる活性化が阻害されます。その結果、細胞内の活性型eIF2が減少し、翻訳抑制を始めとする一連のストレス応答が開始します。
　eIF2がリン酸化されるとどのように翻訳が抑制されるのかについては、伊藤チームリーダーらによるeIF2Bの立体構造解析などから研究が進められてきました^注1）。しかし、eIF2とeIF2Bがどのような複合体を形成するのか、そして複合体の構造がeIF2のリン酸化によってどう変化するのかは解明されていませんでした。
　細胞がストレスを受けても翻訳が抑制されない、あるいはストレスがなくなっても翻訳抑制を解除できなくなる異常が生じると、さまざまな疾患の原因となります。例えば近年、eIF2BのeIF2活性化反応を促進する薬剤が、神経変性疾患の進行を遅らせ、外傷性脳損傷による認知機能の低下を防ぐ作用を持つことが報告されています^注2）。この機構が解明されれば、将来的な薬剤開発などに役立つことが考えられます。

注1） 2016年2月23日プレスリリース「白質消失病の発症機構」
注2） A. Chou, et al., Inhibition of the integrated stress response reverses cognitive deficits after traumatic brain injury. Proc Natl Acad Sci U S A, 114, E6420-E6426 (2017).

研究手法と成果
　研究グループはまず、クライオ電子顕微鏡法^[7]を用いて、ヒトのeIF2とeIF2Bの複合体の構造を解析しました。その結果、eIF2のリン酸化の有無によって、eIF2のeIF2Bへ結合する向きが大きく異なることが明らかになりました。
　リン酸化していないeIF2とeIF2Bの複合体では、eIF2Bの活性を担う「HEATドメイン」と呼ばれる領域がeIF2γに結合しており、eIF2Bによる活性化反応（GDP/GTP変換反応）が行われている構造が捉えられました（図2上段）。一方、リン酸化されたeIF2との複合体では、HEATドメインは特定の位置に固定された状態として観察されず、活性化反応が阻害されている状態が捉えられました（図2下段）。このときeIF2γは、eIF2Bとは強く結合しておらず、代わりにリン酸化eIF2αがeIF2Bの主要な結合領域となっていました。

　そこで次に、eIF2Bとリン酸化eIF2αの結合状態をより詳しく観察するために、eIF2BとeIF2αのみを用いて結晶を作製し、大型放射光施設「SPring-8^[8]」にてX線結晶構造解析^[9]を行いました。その結果、この複合体ではリン酸化されていないeIF2αも、リン酸化型と同じ結合状態が観察されました。しかし、リン酸化型eIF2αのほうが、eIF2Bに向かってより深く入り込み（図3A）、より安定に結合していました。この差異が、リン酸化によって結合状態が切り替えられる要因の一つであると考えられます。 また、eIF2Bは5種類のサブユニット2分子ずつから構成される2回対称（180度回転させると元と同じ姿になる）の構造を持ち、一つのeIF2B に二つのeIF2が結合できます（図3B左）。しかし、リン酸化されたeIF2が一つでも結合すると、その反対側でのeIF2Bの非リン酸化eIF2との相互作用領域まで覆ってしまうため、結合が妨げられます（図3B右）。このように、eIF2のリン酸化は、リン酸化されたeIF2自体の活性化を防ぐだけでなく、他のeIF2の活性化をも防ぐ機構となっていると考えられます。

今後の期待
　本研究から、eIF2とeIF2Bが結合した翻訳開始因子複合体には大きく異なる二つの結合状態が存在し、eIF2のリン酸化によってこの切り替えが行われ、eIF2Bの活性が制御されることが明らかになりました。
　eIF2のリン酸化による翻訳制御機構の構造生物学的な理解は、eIF2Bを標的とした薬剤の作用機序の解明や、より効果の高い薬剤の開発へ向けた基礎となります。また、この制御機構自体も翻訳後修飾や他の翻訳開始因子によってさらに調節されており、今回の成果から、細胞のストレス応答が関与する神経変性疾患などの分子機構の解明や新規治療標的の発見などへの展開が期待できます。

補足説明