大型放射光施設 SPring-8

公開日

2021年04月13日

2021年4月13日
兵庫県公立大学法人兵庫県立大学
国立研究開発法人理化学研究所
国立大学法人東京大学
自然科学研究機構分子科学研究所

研究の背景
　鉄は、全ての生物にとって必須の金属元素であり、生物体内で種々の重要な反応に関わっています。例えば、ヒトでは呼吸で肺に取り込まれた酸素を末梢組織に運ぶ赤血球の中のヘモグロビン^[3]に、鉄がヘムの形で多量に含まれています。病原菌が生きて増殖するためにも鉄が必須です。ペスト菌・コレラ菌・ジフテリア菌・炭疽菌などの病原菌は、他の生物からヘムを奪ってその中の鉄を利用するシステムを進化させています。そのような病原菌の一種である溶血性連鎖球菌^[4]は、ヒトなどの動物の血液に入り込み、赤血球を破壊してヘモグロビンを放出させ、ヘモグロビンに含まれるヘムを菌体内に取り込んで栄養として利用するシステムを有しています（図1）。

　１個の赤血球を壊すと10億分子以上の大量のヘムが放出されるので、この病原菌はそのヘムを栄養として利用して生きています。しかし、菌体内で余剰になったヘムは、活性酸素^[5]を発生させるため、病原菌にとっては「毒」となります。この余剰なヘムによる毒性を回避するために、病原菌は菌体内のヘムの濃度を感知して菌体外へ排出するシステムを有していることが、近年報告されています。この「ヘム毒性回避システム」は病原菌が宿主内で生存するために必須のシステムと考えられていますが、病原菌が余剰なヘムによる毒性をどのようにして回避しているのかは未解明でした。

研究の手法と成果
　本研究では、新生児の敗血症・髄膜炎・肺炎や妊婦の子宮内膜炎の原因となる溶血性連鎖球菌（アガラクチア菌Streptococcus agalactiae）がもつPefRというタンパク質を研究対象にしました。PefRは、通常は遺伝子（DNA）に結合しているタンパク質です。しかし、菌体内に余剰なヘムが増えてくると、PefRはそのヘムと結合してDNAから外れます。PefRがDNAから外れることをスイッチにして、余剰なヘムを菌体外に排出するタンパク質「ヘム排出タンパク質」が作られます（図2）。このように、PefRは菌体内のヘム濃度を感知するための「ヘム濃度センサータンパク質」として機能する転写調節因子^[6]として働いています。つまり、PefRは病原菌がもつ「ヘム毒性回避システム」のキープレイヤーであるといえます。

　本研究グループはPefRがヘムを感知してDNAからはずれる仕組みを明らかにするために「DNA結合型」と「ヘム結合型」などの各状態で単結晶を調製し、大型放射光施設「SPring-8」のタンパク質結晶構造解析用ビームライン（BL26B2, BL41XU, BL44XU）の高輝度なＸ線ビームを利用して、世界で初めてPefRの立体構造を解明しました。その結果、菌体内のヘムが少なく、ヘムを結合していないPefRはDNAを挟み込んでまたがるような形（構造）で存在していることがわかりました。ヘム濃度が上がり、ヘムがPefRに入って結合すると、それを引き金にしてPefRのDNAを挟み込む領域の間の距離が広がってしまい、もはやDNAを挟み込めない構造に変わっていました。PefRがはずれたDNAにはヘム排出タンパク質を作る設計図（遺伝情報）が書かれていますので、それに従ってヘム排出タンパク質が作られ、余剰のヘムを菌体外に排出するという病原菌の「ヘム毒性回避システム」の作動機序を解明しました（図3）。

　さらなる生化学的な解析により、ヘムを結合して一旦DNAから離れたPefRは、一酸化炭素を安定に結合でき、この一酸化炭素結合型PefRはもはやDNAとは再び結合できず菌体内で一酸化炭素を捕捉できることを発見しました（図3）。一酸化炭素は、宿主動物の体内でヘム分解反応の生成物として放出されますが、それが病原菌体内に流入すると微量でも「毒」となり菌体の死滅や休眠を招いてしまいます。PefRは余剰になったヘムの毒性だけでなく、一酸化炭素による毒性も回避する働きを果たしていることを示しています。

この研究の社会的意義と今後の展望
　近年、薬剤耐性菌が蔓延し、抗菌薬が効かなくなることが問題になっています。世界保健機関WHOは、抗菌薬が効かなくなって2050年には年間1千万人が細菌感染によって死亡すると予測しています。既存の抗菌薬の開発は、病原菌の細胞膜・細胞壁・核酸・タンパク質の合成の阻害をターゲットとしており、新規抗菌薬の開発は、現在のところ停滞しています。病原菌のヘム獲得システムは、病原菌の生育に必須であるため、新たな抗菌薬のターゲットになりえます。本研究で明らかにした「ヘム濃度センサータンパク質」の立体構造や性質は、新たな抗菌薬の開発に貢献できる可能性があります。

用語説明

研究グループ
兵庫県立大学大学院 理学研究科
　教授　城 宜嗣（しろ よしつぐ）
　助教　澤井 仁美（さわい ひとみ）
　非常勤研究員　西谷 雄大（にしたに ゆうだい）
　大学院生 [研究当時]　西永 惠（にしなが めぐみ）
　学部生　[研究当時] 　長井 聖奈（ながい せいな）

理化学研究所 放射光科学研究センター 利用システム開発研究部門 生物系ビームライン基盤グループ 生命系放射光利用システム開発チーム
　専任研究員　杉本 宏（すぎもと ひろし）
　専任研究員　當舍 武彦（とうしゃ たけひこ）

東京大学 大学院工学系研究科 バイオエンジニアリング専攻ならびに化学生命工学専攻
　教授　津本 浩平（つもと こうへい）

東京大学医科学研究所 先進的バイオ医薬品学社会連携研究部門
　特任准教授　長門石 曉（ながといし さとる）

自然科学研究機構 分子科学研究所
　教授　青野 重利（あおの しげとし）
　助教　村木 則文（むらき のりふみ）

研究サポート
　本研究は、文部科学省科学研究費補助金の基盤研究 (S) (課題番号26220807)、基盤研究(B) (課題番号18H02396)、基盤研究 (C) (課題番号18K05321)、新学術領域研究「生命金属科学」（課題番号19H05761）の一環として行われました。さらに、公益信託山村富美記念女性自然科学者研究助成基金、公益財団法人ひょうご科学技術協会、理化学研究所の新領域開拓課題「分子システム研究」ならびに独創的研究課題「脂質の統合的理解」と「物質階層の原理を探求する統合的実験研究」、国立研究開発法人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)（課題番号 JP20am0101094）による支援を受けて進められました。