古細菌の分子シャペロンの世界 : シャペロニンを中心にして

ShortReview
古細菌の分子シャペロンの世界
シャペ ロニンを中心 にして
吉田尊雄 ・養王田正文 ・丸 山 正
古 細 菌 の 蛋 白 質 折 りた た み に関 与 す る 分 子 シ ャペ ロン な どの 因 子 は,至 適 生 育 温 度 が 高 い 菌 ほ
ど種 類 が少 な く,と くに 超 好 熱性 古 細 菌 に は,既 知 の 折 りた たみ 因子 はsmallHSP,シ
ニ ン,Prefoldin,PPIaseの4種
ャペ ロ
類 しか見 い だ され な い.古 細 菌の 分 子 シ ャペ ロ ン の 代 表格 で あ
る シ ャペ ロニ ン は,グ ル ー プ2型
る,超 好 熱 古 細 菌Thermococcusの
シ ャペ ロ ニ ン に属 し,1∼3種
類 の サ ブユ ニ ッ トか ら構 成 され
シ ャペ ロ ニ ン は2種 類 の サ ブユ ニ ッ トか ら な る ヘ テ ロオ
Database Center for Life Science Online Service
リ ゴ マ ー を形 成 し,そ の サ ブ ユ ニ ッ ト組 成 が 生 育 温 度 で変 化 す る が,最 近,そ の 蛋 白 質 折 り た
た み 機 構 が 明 らか に な って き た,
古細菌
分 子 シ ャペ ロ ン
シ ャペ ロニ ン
と に よ り新 生 蛋 白 質 の折 りた た み を補 助 して い る.さ
は じめ に
生 物 は,真
正 細 菌(Bacteria),古
真 核 生 物(Eucarya)と
細 菌(Archaea)*1,
い う3つ の ドメ イ ンか ら構 成 さ れ
て い る.古 細 菌 は 原 核 生 物 で あ る が,メ
メ タ ン菌,温
菌,塩
ら
に,分 子 シ ャペ ロ ンは 熱 な ど の ス トレス に よ る蛋 白 質 の
変 性 や 凝 集 を防 い だ り,再 折 りた た み も行 な っ て い る.
タ ン を生 成 す る
細 胞 内 に は,分 子 シ ャペ ロ ン以 外 に蛋 白 質 の 折 りた た み
泉 な どの 高 温 環 境 で 生 息 す る 好 熱 ・超 好 熱
に 関 与 す る 酵 素 も存 在 す るの で,本 稿 で は こ れ らを 含 め
田 な ど に生 息 す る高 度 好 塩 菌 な ど特 殊 な 環 境 で 生
て 蛋 白 質折 りた たみ 因子 と よぶ こ と に す る.
息 して い る もの が多 く,真 正 細 菌 とは さ ま ざ まな 面 で 異
蛋 白 質折 りた たみ の 過 程 は,大 腸 菌 な どで は か な り詳
な っ て い る.古 細 菌 に 真 正 細 菌 が 共 生 して 進化 す る こ と
細 に研 究 され,そ の 概 要 が わ か る よ うに な っ て きた の に
で真 核 生 物 が 生 ま れ た と考 え られ,真 核 生 物 と共 通 す る
対 し,真 核 生 物 の 細 胞 質 や 古 細 菌 につ い て は まだ不 明 な
点 が 多 く存 在 す る こ とか ら,古 細 菌 を理 解 す る こ と は,
点 が 多 い.筆 者 ら は,超 好 熱 性 古 細 菌Thermococcusを
真 核 細 胞 の理 解 に大 い に 寄 与 す る もの と思 わ れ る.
用 い て,古 細 菌 にお け る 蛋 白質 折 りた た み 機 構 を解 析 し
蛋 白質 は,ポ
リペ プ チ ドが 立 体 的 に折 りた た ま れ て,
て きた.そ
の 結 果,分 子 シ ャペ ロ ン シ ス テ ム の 中核 を担
は じめ て そ の 機 能 を発 揮 す る こ とが で き る.蛋 白 質 は ア
っ て い る シ ャペ ロニ ンの 蛋 白質 折 りた た み 機 構 の概 要 が
ミノ酸 配 列 上 に 立 体 構 造 形 成 の 情 報 を 有 して お り,自 発
わ か っ て きた.本 稿 で は,超 好 熱 性 古 細 菌 の シ ャペ ロ ニ
的 に 立 体 構 造 を形 成 で きる と考 え ら れ て い る.し か し,
ン を中 心 に,古 細 菌 に お け る 蛋 白 質 折 りた た み機 構 に つ
細 胞 内 は 蛋 白 質 濃 度 が 高 い た め に蛋 白 質 凝 集 を起 こ しや
い て 論 じる.
す い 環 境 に な っ て い る.そ の た め,分
子 シ ャペ ロ ン と よ
ば れ る 蛋 白 質 因 子 が 存 在 し,分 子 ど う しの 凝 集 を 防 ぐ こ
TakaoYoshida,科
学 技 術 振 興 事 業 団 戦 略 的 基 礎 研 究(CREST)・
[email protected]
MasafumiYohda,東
TadashiMaruyama,(株)海
京 都 大 学 再 生 医 科 学 研 究 所 細 胞 機 能 調 節 学 分 野E-mail:
p
京 農 工 大 学 工 学 部 生 命 工 学 科E-mail:[email protected]
洋 バ イ オ テ ク ノ ロ ジ ー 研 究 所E-mail:[email protected]
Archaealmolecularchaperones:Proteinfoldingmechanismofthearchaealchaperonin
蛋 白質
核 酸 酵 素Vol.48No.1(2003)
33
古細 菌 の蛋 白質 の折 りた たみ 因子 群:
生育温度が高 くなるほど種類が少な くなる?!
ゲ ノ ム 解 析 に よ り明 ら か と な っ た 蛋 白 質 の 折
り た た み に 関 与 す る 因 子 を,古
細 菌,真
真 核 生 物 で 比 較 し た(表1)1,2).分
は,い
正 細 菌,
子 シ ャペ ロ ン
くつ か の グ ル ー プ に 分 類 さ れ,そ
れ らが
協 同 し な が ら一 連 の 蛋 白 質 の 折 り た た み 反 応 を
担 っ て い る.一
般 に真 正 細 菌 と真 核 生 物 に見 い
だ さ れ る 分 子 シ ャ ペ ロ ン は,そ
の 分 子 量 に基 づ
きHSP(heatshockprotein)104,HSP90,HSP
70,シ
ャ ペ ロ ニ ン(HSP60),smallHSP(sHSP)
(数 字 は 分 子 量 を 表 わ す)の5種
類 で あ る と考 え
Database Center for Life Science Online Service
られ て い る.
こ れ ら の う ち,sHSPと
シ ャペ ロ ニ ン は す べ
て の 古 細 菌 に 存 在 す る が,HSP104お
90に
よ びHSP
相 当 す る 遺 伝 子 は 存 在 し な い(表1)。
た,好
熱 性(至 適 生 育 温 度50℃
塩 性 古 細 菌 に はHSP70と
以 上)に
い.HSP70は,蛋
よび好
そ の補 因子 の遺 伝子
が 同 定 さ れ て い る3)が,超
生 育 温 度80℃
以 上)お
ま
好 熱 性 古 細 菌(至 適
はHSP70は
白 質 の 輸 送,蛋
存 在 しな
白質の会合 ・
解 離,変
性 蛋 白 質 の 修 復 な ど に関 与 して い る 。
HSP90は
細 胞 内 情 報 伝 達 に 関 与 す る 数 多 くの
分 子 と 相 互 作 用 し て お り,真
核 生 物 で は,変
異
の 緩 衝 剤 と し て 働 い て い る と い わ れ て い
る4・5).HSP104はHSP70と
協 同 で 働 き,熱
な
ど に よ り変 性 し凝 集 し た 蛋 白 質 を 元 に 戻 す 作 用
が あ る6，7).蛋 白 質 の 折 り た た み だ け で な く,
多 様 な細 胞 機 能 を果 た して い る こ の よ うな 分子
シ ャ ペ ロ ンが,古
細 菌 に欠 け て い る 理 由 は 明 ら
か で は な い が,こ
れ ら の 分 子 シ ャ ペ ロ ンが 担 っ
て い る 機 能 を古 細 菌 が 必 要 と して い な い の か も
し れ な い.ま た,そ れ ら の 機 能 を 担 っ て い る 未 知
の 古 細 菌 特 有 の 分 子 シ ャペ ロ ンが 存 在 す る 可 能
性 も 残 さ れ て お り,今 後 の 研 究 に 期 待 が も た れ る.
シ ャペ ロ ニ ンは ア ミノ酸 配 列 の 相 同性 か ら グ
ル ー プ1型
Archaeaの
あ る.本
と2型
に 大 別 さ れ,グ
日 本 語 訳 に は,古
稿 で は,一
蛋 白 質 核 酸 酵 素Vol.48No.1(2003)
は
細 菌 また は 始 原 菌 が
般 に よ く 知 ら れ,使
る 古 細 菌 を 使 用 す る.
34
ル ー プ1型
われてい
表2古
Prefoldinと
細菌 の シ ャペ ロニ ンの 特 徴
よ ば れ る 因 子 が,
シ ャペ ロ ニ ンへ 変 性 蛋 白質 を受
け 渡 し て い る こ とが 明 ら か に な
り,こ
れ が グ ル ー プ2型
シ ャペ
ロ ニ ンの 補 因 子 で あ る可 能性 が
出 て き た9∼12).
sHSPは,分
子 量 約17Kの
単
量 体 が24量
体 と な り,内
部 に
空 洞 を もつ 球 状 構 造 を形 成 し て
い る.sHSPは
熱 シ ョ ッ クや 至
適 温 度 よ りも高 温 に さ ら され る
と 誘 導 さ れ,変
性 した蛋 白質 の
凝 集 を 抑 制 す る.
Database Center for Life Science Online Service
分 子 シ ャペ ロ ンの ほ か に 蛋 白
真 正 細 菌 と 真 核 生 物 の オ ル ガ ネ ラ に 存 在 す る が,真
核 生
質 の 折 り た た み に 関 与 す る 酵 素 と し て,プ
ロ リ ンの 異 性
物 の 細 胞 質 お よ び 古 細 菌 の シ ャ ペ ロ ニ ン は グ ル ー プ2型
化 反 応 を 促 進 す るPPIase(peptidyl-prolylisomerase,
で あ る8).グ
蛋 白 質 の 折 り た た み で 律 速 と な る プ ロ リ ン イ ミ ド結 合 の
ル ー プ1型
で はHSP10(GroESと
も よばれ
る)が シ ャ ペ ロ ニ ン の 補 因 子 と し て 協 同 し て 働 く が,グ
ル ー プ2型
い.近
図1古
年,真
はGroESに
相 当す る 補 因子 を必 要 と し な
核 生 物 や 古 細 菌 に お い て はGimCま
細 菌 の シ ャペ ロ ニ ン のX線
結 晶 構 造(PDBコ
た は
ー ド:
1A6D)
好 熱 性 古 細 菌Thermoplasmaacidophilum由
ン の立 体 構 造.(a)シ
ャペ ロ ニ ン を上 か ら見 た 図.α,β
色,ピ ン クで 表 示.α
して いる,(c)(a)の
来 の シ ャペ ロ ニ
ャペ ロニ ン を 側 面 か ら見 た リ ボ ン図.(b)シ
サ ブ ユ ニ ッ トはそ れ ぞ れ,水
βが 交 互 に並 ん だヘ テ ロ オ リゴマ ー を 形 成
構 造 で 黄 色 で示 した αサ プ ユ ニ ッ トモ ノ マ ー
の 拡大 図.赤 の 円 柱 は αヘ リ ック ス を,水 色 の 矢 印 は βシー トを
図2超
好 熱 性 古 細 菌Thermococcusの
に 対 す る サ ブ ユ ニ ッ ト組 成 変 化Th
ermococcusの
シ ャペ ロ ニ ンの 熱
シ ャペ ロニ ン は細 胞 内 で は,生 育 温度 に よ り
示 して い る.古 細 菌 の シ ャペ ロ ニ ン は 頂 点 ドメ イ ン,中 間 ドメ イ
α,β サ プユ ニ ッ ト組成 を 変 化 さ せ たヘ テ ロオ リゴ マ ー を 形成 し
ン お よび 赤 道 ドメ イ ンか らな る.頂 点 ドメ イ ン に は,長 い αヘ リ
てい る.α サ プ ユ ニ ッ トは 生 育 至 適 温 度 よ りも低 温 で発 現 し,β
ックス(黄 色)を 含 む 領 域 が シ ャペ ロ ニ ンの 空洞 を 覆 う蓋 の よ うな
サ ブユ ニ ッ トは 至 適 温 度 よ り も高 温 で 発 現 す る,β ホ モ オ リゴマ
− は αホモ オ リゴ マ ー よ りも高 い 熱 安定 性 をも つ .
構造 を形 成 して いる.
蛋 白質 核 酸 酵 素VoL48No,1(2003)
35
シ ス ートラ ン ス の 構 造 異 性 化 変 換 を 触 媒 す る)や,ジ
ス ル
る と 考 え られ て い る が,実 際 に蛋 白 質 の 折 りた た み活 性
フ ィ ド結 合 形 成 を 促 進 す るPDI(proteindisulfideisom
が 実 験 に よ って 確 認 され て い る古 細 菌 の シ ャペ ロ ニ ンは
erase)な
少 な く,そ の 反 応 機 構 や 異 な るサ ブ ユ ニ ッ トの 機 能 な ど
ど が あ る.PPIaseに
は,免
疫 抑 制剤 で あ る シ
ク ロ ス ポ リ ン 結 合 型 の シ ク ロ フ ィ リ ン,FK506結
FKBP,こ
れ ら と結 合 し な い パ ー ブ リ ン の3種
ミ リ ー が 存 在 す る13).FKBPフ
合 型 の
不 明 な点 が 多 い16).
類 の フ ァ
サ ブユ ニ ッ ト構成 とオ リゴマー形 成:シ ャペロニンの
ァ ミリ ー に は新 生 蛋 白質
サブユニット構成は変化する!
折 りた た み の 初 期 過 程 に 関 与 す る ト リ ガ ー 因 子 と い う サ
ブ フ ァ ミ リ ー も 存 在 す る.真
に,1つ
正 細 菌 と真核 生 物 で は 一 般
熱 性 メ タ ン菌 お よ び 好 塩 性 古 細 菌 で
は シ ク ロ フ ィ リ ン とFKBPの
つ し か 有 し て お ら ず,超
両 方 を そ れ ぞ れ1種
生 物 と比 較 す る と 非 常 に 少 な く,そ
補 助 シ ス テ ム は 非 常 に シ ン プ ル で,し
古 細 菌 の シ ャ ペ ロ ニ ン は2種
の 大 き い も の を α,小
れ(表2),両
の ように古細 菌 の
蛋 白 質 の 折 り た た み に 関 与 す る 因 子 は,真
Database Center for Life Science Online Service
類 ず
好 熱 性 古 細 菌 に お い て はFKBP
1種 類 の み し か 見 い だ さ れ な い.こ
々 の古 細 菌 の シ ャペ ロ ニ
ン 遺 伝 子 の 数 と 配 列 が 明 ら か に な っ て き た.ほ
の 生 物 種 に 各 フ ァ ミ リ ー に 属 す る 複 数 のPPIase
を 有 し て い る が,好
ゲ ノ ム 解 析 の 進 展 の 結 果,種
正 細 菌 や 真核
の蛋 白 質 折 りた た み
か も高 温 に な る ほ
どそ の 傾 向 は 強 く な る よ う で あ る.
%程
と ん どの
類 の サ ブ ユ ニ ッ ト(分 子 量
さ い も の を β と よ ぶ)か ら 構 成 さ
者 の ア ミ ノ 酸 配 列 の 相 同 性 は 一 般 的 に60
度 で あ る.し
か し,メ
タ ン 菌 やPyrocoocusな
超 好 熱 性 古 細 菌 の よ う に1種
類 の サ ブ ユ ニ ッ ト遺 伝 子 し
か 見 い だ さ れ な い 例 や,枷
ブ ユ ニ ッ ト(α,β,γ)が
どの
の 励 媚 の よ う に3種
類 のサ
見 い だ さ れ る 例 も あ る16).Tter
moplasmaacidophilumの
シ ャ ペ ロ ニ ン は2種
ニ ッ トか ら構 成 さ れ る が,X線
類 の サ ブユ
結 晶 構 造 解 析 な ど か ら,
α お よ び β サ ブ ユ ニ ッ トが 交 互 に 配 置 さ れ た ヘ テ ロ オ
超好熱性古細菌のシャペロニン
リ ゴ マ ー と し て 存 在 し て い る こ と が 示 さ れ た(表2,図
シ ャ ペ ロ ニ ン(GroEL)は
弱 い
1)15.Pyrodictiumoccultum,Haloferaxvolcanii,Archae
性 蛋 白 質 を 認 識 ・結 合(ア
レス
ogobusfulgidusな
真 正 細 菌 の グ ル ー プ1型
ATPase活
性 を 有 し,変
ト活 性 と よ ぶ)し,ATP存
性 を 示 す.シ
在 下 で蛋 白 質 の 折 りた た み 活
ャ ペ ロ ニ ン は7個
状 に 会 合 し,そ
の サ ブ ユ ニ ッ トが リ ン グ
れ ら が 背 中 あ わ せ に 結 合 し て2層
になっ
た 二 重 リ ン グ 構 造 を 形 成 す る.変
性 蛋 白質 は リ ン グ構 造
の 入 り 口 付 近 に 結 合 さ れ る が,そ
こ に リ ング状 に会 合 し
たGroESと
よ ば れ る 補 因 子 が シ ャペ ロ ニ ン の 入 り 口 に
ど の シ ャ ペ ロ ニ ン も,α
種 類 の サ ブ ユ ニ ッ トか ら構 成 さ れ て い て,高
の 組 成 比 は 常 に 一 定 に 保 た れ て い る16).
超 好 熱 性 古 細 菌Thermococcusの
の2種
同 性 は 高 い(80%)17・18).各
ゴ マ ー を 形 成 す る が,こ
種 類 の 分 子 量 約60Kの
サ ブ ユ ニ ッ トが,16ま
に 弱 いATPase活
た は18個
重 リ ン グ構 造 の ホ モ オ リ
の ホ モ オ リ ゴ マ ー は α,β と も
性 を 有 し,ATP加
会 合 し た 二 重 リ ン グ 構 造 を 形 成 し て お り(表1,表2),
な 温 度 で 培 養 し たthermococcus細
各 サ ブ ユ ニ ッ ト は グ ル ー プ1型
ロ ニ ン の サ ブ ユ ニ ッ ト組 成 を,サ
が あ る.構
造 的 に もGroELと
を つ な ぐ 中 間 の3つ
1)15).し
同 様 に 赤 道,頂
点,両
者
の ドメ イ ン か ら 構 成 さ れ て い る(図
か し,GroESに
水 分解 依存 的に蛋
白 質 を 折 り た た む 活 性 を 有 し て い る(表2)17).さ
の サ ブ ユ ニ ッ ト と相 同 性
相 当 す る 補 因 子 は 存 在 せ ず,
抗 体 を 用 い て 調 べ た と こ ろ,α
り も 低 温 で 発 現 し,β
の相
々 の シ ャペ ロニ ンサ ブ ユ ニ ッ
動 し,蛋
に 属 す る 古 細 菌 の シ ャ ペ ロ ニ ン も,1∼3
シ ャ ペ ロ ニ ン も α,β
類 の サ ブ ユ ニ ッ トか ら構 成 さ れ て い る が,そ
ト を 大 腸 菌 で 発 現 さ せ る と,二
グ ル ー プ2型
温 での生育
ま た は 熱 シ ョ ッ ク に よ り両 者 が 同 時 に 発 現 誘 導 さ れ,そ
蓋 を す る こ とで 変 性 蛋 白質 が リ ン グ中 央 の 空 洞 内 部 に移
白 質 の 折 り た た み が 進 行 す る14).
お よ び β の2
まざま
胞 内 に お け る シ ャペ
ブ ユ ニ ッ ト特 異 的 認 識
サ ブ ユ ニ ッ トは 至 適 よ
サ ブ ユ ニ ッ ト は,高
温 で よ り強 く
発 現 す る こ と が 明 ら か と な っ た19・20).β/α
比 は80℃
そ の 代 わ り に 古 細 菌 の シ ャ ペ ロ ニ ン サ ブ ユ ニ ッ トの 頂
は0.45で
あ っ た19).免
点 ド メ イ ン に は 大 き く張 り 出 し て リ ン グ を 覆 う よ う な
疫 沈 降 お よ び ネ イ テ ィブ ゲ ル電 気 泳 動 に よ る オ リ ゴマ ー
α ヘ リ ッ ク ス が,空 洞 部 に 対 す る 蓋 を 形 成 し て い る(図
解 析 の 結 果 か ら,こ
1).グ
ル ー プ2型
ャ ペ ロ ニ ン と は 異 な り,thermococcusの
に,こ
の αヘ リ ッ ク ス が 可 動 式 の 蓋 と し て 機 能 し て い
36
蛋白質
核酸
シ ャ ペ ロ ニ ン で は,GroESの
酵 素Vol.48No.1(2003)
代 わ り
あ る が,90℃
で 最 大 に 至 り8.5で
で
れ まで に報 告 さ れ て い る古 細 菌 の シ
シャペ ロニ ン
の α お よ び β サ ブ ユ ニ ッ トか ら な る ヘ テ ロ オ リ ゴ マ ー
で は,生
育 温 度 に よ りそ の サ ブ ユ ニ ッ ト組 成 を変 化 させ
蛋 白質 の 折 りたた み反 応 機構:GroESの
て い る こ とが わか っ た19・20)(図2).そ れ ぞ れ の生 育 温 度
しで,ど のように折りたたみを促進 しているのか?
で さ ま ざ まな 組 成 のヘ テ ロ オ リ ゴマ ー が 存 在 す る こ とが
予 想 され た が,不 思 議 な こ と に,各 温度 にお い て特 定 の
Thermcococcusシ
ャ ペ ロ ニ ン はATP加
β/α 比 を 有 す る ヘ テ ロ オ リ ゴ マ ー が ほ と ん ど1種 類 し
蛋 白 質 折 り た た み 活 性 が 高 く,反
か 検 出 され な か っ た.こ
い る17).こ
の よ う に,あ
る温 度 で ほ とん ど
UTPも
と,ヘ テ ロ オ リ ゴマ ー 中 に お け る α,β サ ブユ ニ ッ トの
存 在 下 で はATP以
立 体 配 置 の 解 明 は,今 後 に 残 さ れ た 課 題 で あ る.
白 質 を 折 りた た め な い22>.こ
利 用 で き る が,ADPよ
り も結 合 力 が 弱 く,ADP
外 の ヌ ク レ オ シ ド三 リ ン 酸 で は,蛋
ク レ オ チ ドと し てATPが
の シ ャ ペ ロ ニ ン は,培
養 温 度に よ り α
と βサ ブ ユ ニ ッ トの 発 現 が 異 な る こ と か ら,各
Database Center for Life Science Online Service
の こ と か ら,細
胞 内で は ヌ
用 い ら れ て い る と 思 わ れ る.
古 細 菌 の シ ャ ペ ロ ニ ン サ ブ ユ ニ ッ トの 頂 点 ドメ イ ン
ットの機能の違いは何か?
サ ブ ユ ニ ッ ト の 熱 安 定 性 を 解 析 し た21).ま
活 性 の 温 度 依 存 性 を 調 べ た と こ ろ,α
適 温 度 は60∼70℃
組 換 え体
ずATPase
ホモ オリ ゴマ ー
で あ る の に 対 し,β
方,異
ホモ オ
リ ゴ マ ー で は90℃
で あ っ た.一
した Thermococcus
か ら得 た サ ブ ユ ニ ッ ト組 成 の 異 な る
2種 類 の ヘ テ ロ オ リ ゴ マ ー(β/α
温 度 は,ほ
外 に,CTP,GTP,
の シ ャペ ロニ ン の熱 安定 性:サ ブユニ
Thermococcus
で は,至
水 分解 依存 的 な
応 機 能 の 解 析 に 適 して
の シ ャ ペ ロ ニ ン はATP以
均 一 な 決 ま っ た サ ブユ ニ ッ ト組 成 の 複 合 体 が で き る機 構
Thermococcus
ような補因子な
ぼ 同 じ で80∼90℃
テ ロ オ リ ゴ マ ー のATPase活
なる温 度で培 養
比0.45と8.5)の
で あ っ た.し
至 適
たが っ て ヘ
性 の 至 適 温 度 は,そ
のサ
は,オ リ ゴ マ ー を 形 成 し た と き にGroESの
よ う な蓋 の 役
割 を 果 た す と 考 え ら れ て い る(図1).筆
者 ら はAMP-
PNPを
用 い た 実 験 か ら,シ
た 変 性 蛋 白 質 が,ATPの
ャペ ロ ニ ン に 捕 捉 さ れ て い
結合 に よ りリ ング中央 の 空洞
内 で 折 り た た ま れ る こ と を 見 い だ し た23).こ
ATPの
加 水 分 解 は 必 須 で は な く,ATPの
点 ド メ イ ン に よ る 蓋 が 閉 じ て,空
な り,蛋
の と き,
結合 だ けで頂
洞内部 表面が親水性 と
白 質 の 折 りた た み が 進 行 す る(図3).シ
ニ ン に 結 合 し たATPが
が 開 き,折
ャペ ロ
加 水 分 解 さ れ る と頂 点 ドメ イ ン
りた た ま れ た 蛋 白 質 が シ ャ ペ ロ ニ ン か ら 放 出
さ れ る と 推 察 さ れ る.こ
の 放 出 時 に,蛋
白 質 の 折 りた た
ブ ユ ニ ッ ト組 成 が 変 化 し て も ほ ぼ 一 定 で あ る と考 え ら れ
み が 生 じ た ほ う の リ ン グ(シ ス リ ン グ)と は 反 対 側 に 位 置
る.さ
す る リ ン グ(ト ラ ン ス リ ン グ)にATPが
結 合 す るか に つ
い て は,ま
合 部 位 近 傍 の65
ら に シ ャペ ロ ニ ン オ リゴ マ ー の 熱 安 定 性 を モ ノマ
ー へ の 解 離 を 指 標 に して 調 べ た と こ ろ
は,α
ホ モ オ リ ゴ マ ー の ほ う が,β
り も モ ノ マ ー へ の 解 離 が 早 く,ヘ
者 の 中 間 で あ る が,β
,高
温(90℃)で
ホモ オ リゴマー よ
だ わ か っ て い な い.ATP結
番 目 の グ リ シ ン を 側 鎖 の 大 き な ア ミ ノ 酸 に 置 換 す る と,
テ ロ オ リゴ マ ー で は 両
サ ブ ユ ニ ッ ト を 多 く含 む ヘ テ ロ オ
リ ゴマ ー の ほ うが 熱 安 定 性 が 高 い こ とが 明 らか と な っ
た21).さ
ら に 円 偏 光 二 色 性 に よ る 解 析 か ら,モ
ノマ ーの
熱 安 定 性 も,β の ほ う が α よ り も 高 い こ と が 示 さ れ た.
こ れ ら の こ と か ら, Thermococcus
サ ブ ユ ニ ッ トは 高 温 適 応 型,α
応 型 で,
Thermococcus
シ ャペ ロ ニ ンで は β
サ ブ ユ ニ ッ トは 低 温 適
の 細 胞 内 で は,周
囲 の温 度 に応
じ て サ ブ ユ ニ ッ ト組 成 が 異 な る シ ャペ ロ ニ ンを 形 成 し
て,蛋
白 質 の 折 りた た み を 助 け て い る と思 わ れ る(図
2). Thermococcus よ り も生 育 温 度 が 高 く,系 統 的 に 近
縁 の Pyrococcus
で は,シ
ャ ペ ロ ニ ン サ ブ ユ ニ ッ ト は1
図3古
細菌 の シ ャペ ロニ ンの反 応機 構 モ デル
古 細 菌の シ ャペ ロニ ン の 頂 点 ドメ イ ン は 可 動 式 の 蓋 の 役 割 を 果 た
す と同 時 に,変 性 蛋 白質 結 合 部 位 で あ る と予 想 さ れ て い る.A:
ヌ ク レ オ チ ドフ リー の シ ャペ ロ ニ ン は 蓋 が 開 い た 構 造 を して い
る.B:そ
こ に変性 蛋 白質 が結 合 す る.C:変
性 蛋 白質 が 結合 した
リ ン グ(シ ス リ ン グ,反 対 側 を トラ ン ス リン グ と よ ぶ)にATPが
種 類 で,し か も β 型 サ ブ ユ ニ ッ トで あ る.こ の こ と か ら,
結 合 す る と 蓋 が 閉 じ リン グ の 空 洞 に変 性 蛋 白 質 が 閉 じ込 め られ
Pyrococcusは
る,D:リ
低 温 適 応 型 の α 型 サ ブ ユ ニ ッ トを 失 い,
高 温 適 応 型 の β型 サ ブ ユ ニ ッ トだ け を 有 す る こ と で,よ
り 高 温 の 環 境 に 適 応 す る よ う に 進 化 し た と 思 わ れ る.
ン グ 空 洞 内 で折 りた た み が 進 行 す る,E:ATP加
水分
解 後 に蓋 が 開 き,折 りた た ま れ た蛋 白 質 が シ ャペ ロニ ンか ら放 出
さ れ る.こ の 放 出 は,ト ラ ン ス リン グ へ のATP結
合 が き っか け
と な って いる か ど う か,ま だわ か って い な い,
蛋 白質 核 酸 酵 素Vol.48No,1(2003)
37
ATPaseお
よ び ア レ ス ト活 性 は 影 響 さ れ な い が,折
た み 活 性 が 失 わ れ て し ま う24}.よ
りた
っ て こ の ア ミ ノ酸 残 基
し,シ ャ ペ ロ ニ ン と 協 同 し て 折 りた た み を 行 な う.ま た,
酵 母 で はHSP70とGimC/Prefoldinの
は,こ
の 頂 点 ドメ イ ン の 開 閉 に 重 要 な 役 割 を 果 た し て お
と,蛋
り,お
そ ら くATP結
腸 菌 で も 同 じ よ う に,新
合 に伴 う構 造 変 化 の ヒ ン ジ と して
機 能 し て い る と 思 わ れ る.
両 者 を欠 損 させ る
白 質 の 合 成 阻 害 が 起 こ り 増 殖 で き な く な る25).大
生 蛋 白 質 の 折 りた た み に 関 与 す
る ト リ ガ ー 因 了・とHSP70の
二 重 欠 損 変 異 体 で は,蛋
白
質 合 成 が で き な い こ と が 示 さ れ て い る26，27).こ れ ら の こ
シ ャ ペ ロ ニ ン に よ る 折 り た た み 経 路:GimC/Prefoldin
と か ら,GimC/PrefoldinはHSP70や
は シ ャペ ロニンの新 しい補 因子 か?
トリ ガ ー 因子 の よ
う な 役 割 を 果 た し て い る 可 能 性 が 示 唆 さ れ て お り,今
近 年,GimCま
た はPrefoldinと
生 物 や 古 細 菌 で 見 い だ さ れ,グ
よ ば れ る 因 ・.fが真 核
ル ー プ2型
の 研 究 が 期 待 さ れ る.
シ ャペ ロニ ン
へ 変 性 蛋 白 質 の 受 け 渡 し を し て い る こ と が 判 明 し た 胴2}.
Database Center for Life Science Online Service
古 細 菌 のGimC/Prefoldinは,分
後
お わ りに
古 細 菌 で は,そ
子 量 約10∼20Kの2種
の 生 育 至 適 温 度 が 高 くな る に従 って,
類 の サ ブ ユ ニ ッ トが α2β4組 成 の 複 合 体 を 形 成 し て い
と くに超 好 熱 性 古 細 菌 で は 蛋 白質 の 折 りた た み に関 与 す
る13).複
ヘ リ
る 因子 の種 類 が 少 な く な る傾 向 が あ る.こ の こ とは 高 温
の触 手 を もっ た
で の 蛋 白 質 の 折 りた た み 過 程 は 単 純 で,多 種 類 の 因 子 を
合 体 は 「通
β バ レ ル 会 合 し た 傘 部 分 と,α
ッ ク ス が コ イ ル ド コ イ ル を 形 成 し た6本
ク ラ ゲ の よ う な 特 徴 的 な 構 造 を 形 成 し て い る(図4).
GimC/Prefoldinは,ATPase活
性 を も た な い が,触
必 要 と しな い こ と を示 して い る の か も しれ な い.そ れ と
手
も好 熱 性 古 細 菌 の 折 りた た み 因 子 の 各 々 は 多 機 能 に な っ
に 相 当 す る αヘ リ ッ ク ス で 変 性 蛋 白 質 を 認 識 し て 結 合
て い る の だ ろ うか?生
し,不
ャペ ロニ ンが 存
祖 先 だ と した ら,現 生 の 超 好 熱 性 古 細 菌 は比 較 的 単純 な
結 合 して い た変 性 蛋 白質
原 始 の 蛋 白 質折 りた た み シ ス テ ム を 維 持 して い るの で あ
可 逆 的 凝 集 を 防 ぐ効 果 が あ る.シ
在 す る と,GimC/Prefoldinに
命 の始 ま りが 超 好 熱性 古細 菌 の
は シ ャ ペ ロ ニ ン に 受 け 渡 さ れ,シ
ャペ ロ ニ ンに よ っ て折
ろ うか?常
温 微 生 物 は 進 化 に 伴 い 生 育 温 度 が低 下す る
り た た ま れ る.真
も に ア クチ ンや チ ュ ー
に 従 っ て,他
の 折 りた た み 因 子 を獲 得 して い っ た の で あ
ろ うか?そ
れ と も逆 に低 温 の 古 細 菌 が 高 温.に適応 す る
に 従 っ て,こ
れ らの 因 子 を 失 っ た の で あ ろ うか?た
核 生 物 で は,お
ブ リ ンな どの 細 胞 骨 格 蛋 白質 の新 生 ポ リペ プ チ ドに結 合
く
さ ん の 疑 問 が わ い て くる.超 好 熱性 古 細 菌 の分 子 シャペ
ロ ンの研 究 は,高 温 専 用 の 分 析 機 器 もな く解 析 の苦 労 も
多 いが,そ
の 世 界 は 始 ま っ た ば か りで あ り,生 命 の進 化
の 謎 に触 れ られ る魅 力 的 な 分 野 で あ る.
1)
2)
図4古
細 菌 のPrefoldinのX線
結 晶 構 造(PDBコ
ー ド:1
3)
FXK)
超 好 熱 性 古 細 菌Methanobacteriumthermoautotrophicum
由来 のPrefoldlnの
立 体構 造,(a)側
面 か ら 見 た ス テ レオ 図.(b)
4)
5)
下 か ら見 た ス テ レオ 図.α お よ び βサ ブユ ニ ッ トは そ れ ぞ れ,黄
色 お よ び 水 色 で 表 示,全 体 の 構 造 は,β シ ー ト部 分 を 傘,α ヘ リ
ッ クス を 触手 と した ク ラゲ の よ うな 形 を して い る,基 質 蛋 白 質 は
触 手 に 相 当す る αヘ リ ック ス部 分 に 結合 す る と考 え られ て いる.
38
蛋 白質
核 酸 酵 素Vol.48No.1(2003)
6)
7)
Tatusov, R. L., Natale, D. A., Garkavtsev, I. V., Tatusova, T.
A., Shankavaram, U. T., Rao, B. S., Kiryutin, B., Galperin, M.
Y., Fedorova, N. D., Koonin, E. V. : Nucleic Acids Res., 29,
22-28(2001)
Pahl. A., Brune. K.. Bang, H. : Cell Stress Chaperones, 2,7886(1997)
Macario, A. J., de Macario, E. C. : Genetics, 152, 1277-1283
(1999)
Rutherford, S. L., Lindquist, S. : Nature, 396, 336-342 (1998)
Queitsch, C., Sangster, T. A., Lindquist, S. : Nature, 417,
618-624(2002)
Glover, J. R., Lindquist, S. : Cell, 94, 73-82 (1998)
Motohashi, K., Watanabe, Y., Yohda, M., Yoshida, M.:
Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 96, 7184-7189 (1999)
8)
9)
10)
11)
12)
Kim, S., Willison, K. R., Horwich, A. L.: Trends Biochem.
Sci., 19, 543-548 (1994)
Geissler, S., Siegers, K., Schiebel, E. : EMBO J., 17, 952-966
(1998)
Vainberg, I. E., Lewis, S. A., Rommelaere, H., Ampe, C.,
Vandekerckhove, J., Klein, H. L., Cowan, N. J.: Cell, 93,863873(1998)
Leroux, M. R., Fandrich, M., Klunker, D., Siegers, K., Lupas,
A. N., Brown, J. R., Schiebel, E., Dobson, C. M., Hard, F.
13)
Maruyama,
(2000)
14) 田 口 英 樹:蛋
Database Center for Life Science Online Service
16)
17)
18)
19)
20)
21)
22)
24)
25)
26)
U.: EMBO J., 18, 6730-6743 (1999)
Okouch, M., Yoshida, T., Maruyama, T., Kawarabayasi, Y.,
Kikuchi, H., Yohda, M.: Biochem. Biophys. Res. Commun.,
291,769-779(2002)
15)
23)
27)
269-274(2002)
Yoshida, T., Kawaguchi, R., Taguchi, H., Yoshida, M., Yasu
naga, T., Wakabayashi, T., Yohda, M., Maruyama, T. : J.
Mol. Biol., 315, 73-85 (2002)
lizuka, R., Yoshida, T., Maruyama, T., Shomura, Y., Miki,
K.. Yohda, M.: Biochem. Biophys. Res. Comum., 289,11181124(2001)
Hard, F. U., Hayer Hard, M.: Science, 295, 1852-1858(2002)
Teter, S. A., Houry, W. A., Ang, D., Tradler, T., Rock
abrand, D., Fischer, G., Blum, P., Georgopoulos, C., Hard, F.
U. : Cell, 97, 755-765 (1999)
Deuerling, E., Schulze-Specking, A., Tomoyasu, T., Mogk,
A., Bukau, B.: Nature, 400, 693-696 (1999)
T., Furutani, M. : Front Biosci., 5, D821-836
吉 田尊雄
略 歴:1998年
白 質 核 酸 酵 素,47,1196-1202(2002)
埼玉大 学大学 院理工 学研究科 博士後期課 程修
Ditzel, L., Lowe, J., Stock, D., Stetter, K. 0., Huber, H.,
Huber, R., Steinbacher, S. : Cell, 93,125-138(1998)
Gutsche, I., Essen, L. 0., Baumeister, W. : J. Mol. Biol., 293,
295-3120999)
Yoshida, T., Yohda, M., lida, T., Maruyama, T., Taguchi, H.,
Yazaki, K., Ohta, T., Odaka, M.. Endo, I., Kagawa. Y. : J.
Mol. Biol., 273, 635-645 (1997)
Izumi, M., Fujiwara, S., Takagi, M., Kanaya, S., Imanaka,
T. : Appl. Environ. Microbiol., 65,1801-1805 (1999)
Yoshida, T., Ideno, A., Hiyamuta, S., Yohda, M., Maruyama,
T. : Mol. Microbiol., 39,1406-1413 (2001)
了,㈱ 海 洋 バ イ オ テ ク ノ ロ ジ ー 研 究 所 研 究 員 を 経 て,2002
Izumi, M., Fujiwara, S., Takagi, M., Fukui, K., Imanaka,
T. : Biochem. Biophys. Res. Commun., 280, 581-587 (2001)
Yoshida, T., Ideno, A., Suzuki, R., Yohda, M., Maruyama,
T.: Mol. Microbiol., 44, 761-769 (2002)
Yoshida, T., Kawaguchi, R., Maruyama, T. : FEBS Lett, 514,
丸山 正
第28回
年 よ り科 学 技 術 振 興 事 業 団 戦 略 的 基 礎 研 究 研 究 員 と して 京 都
大 学 再 生 医 科 学 研 究 所 細 胞 機 能 調 節 学 分 野 に て 研 究 中,研
究 テ ー マ:グ
ル ー プ2型 シ ャペ ロ ニ ン の 構 造 と作 用 機 構
養王 田正 文
略 歴:1987年
東 京 大 学 大 学 院 工 学 研 究 科 博 士 課 程 修 了,理
化 学 研 究 所 研 究 員 を 経 て,1998年
生 命 工 学 科 助 教 授,研
よ り東 京 農 工 大 学 工 学 部
究 テ ー マ:分
子 シ ャ ペ ロ ン の構 造 と
機 能,遺 伝 子 解 析 シ ス テ ム の 開 発,
略 歴:1981年
東 京 都 立 大 学 大 学 院 理 学 研 究 科 退 学,㈱ 東 燃
基 礎 研 究 所 を経 て,1989年
研 究 所 主 任 研 究 員.研
よ り㈱ 海 洋 バ イ オ テ ク ノ ロ ジ ー
究 テ ー マ:超
好 熱 菌 の 生 物 学,海 洋
生 物 に お け る 共 生 機 構,
日本 医 用 マ ス ス ペ ク トル 学 会 年 会
日
時
平 成15年9月25日(木)・26日(金)
会
場
ホ テ ル コ ン コル ド浜 松(静 岡県 浜 松市 元 城 町109-18)
年 会 長
鈴 木 修(浜 松 医科 大 学 法 医学)
構
特 別 講演,ワ ー ク シ ョ ップ,学 会 奨励 賞 受 賞者 講 演,一 般 講演 な ど
成
演題申込期限
問合 せ先
平 成15年5月16日(金)
〒431-3192静
第28回
岡 県浜 松 市 半 田 山1-20-1浜
松 医 科 大学 法 医 学 教室 内
日本 医用 マ ス スペ ク トル学 会 年 会事 務 局
鈴木 修
Tel.FAXO53-435-2239
http://www.kanazawa-med.ac.jp/~jsbmso/
蛋 白質 核 酸 酵 素Vol.48No.1(2003)
39