蛋白質核酸酵素:大腸菌ラクトース輸送体の構造

Short Review
大腸菌ラク トース輸送体の構造
膜能動輸送のマシーナリ
岩田 想
細 胞 膜 にあ る 第2次 能 動 輸 送 体 は,各 種 イ オ ン の 濃 度 勾 配 の 自 由 エ ネ ル ギ ー を使 っ て 物 質 の 輸
送 を 行 な って い る.筆 者 らは,第2次
るMFS(major
能 動 輸 送 体 の な か で 最 も 大 き な フ ァミ リー を形 成 して い
facilitatorsupe㎡amily)輸
功 した.こ の 分 子 は12本
送 体 の ひ と つ ラ ク トー ス輸 送 体 の 結 晶 構 造 解 析 に成
の 膜 貫 通 ヘ リ ッ クス に囲 ま れた 大 き な 親水 性 の 内腔 を有 し,こ の 内 腔
中 に 基 質 認 識 と 水 素 イ オ ン 結 合 に重 要 な ア ミ ノ酸 残 基 を 同定 す る こ と が で き た,結 晶 構 造 お よ
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び 生化 学 デ ー タ を も とに,ラ ク トー スー水 素 イ オ ン共 輸 送機 構 につ い て 説 明 す る.
ラク トース輸送体
第2次 能動輸送 体
は じめ に
膜蛋 白質X線
今 回,筆
者 らがX線
構 造解析 に成 功 した大腸 菌 の ラ
ク トー ス 輸 送 体 は,UCLAのRon
細 胞 膜 を隔 て た 輸 送 は細 胞 の物 質取 込 み に必 須 の 機 能
で あ る.こ の うち,エ
結晶構造解 析
ネ ル ギ ー を使 わ ない で濃 度 勾 配 に
Kabackら
化 学 的 ・生 物 物 理 学 的 に30年
を 中心 に生
以 上 研 究 さ れ て お り,最
従 っ て受 動 的 に物 質 を輸 送 す る蛋 白 質 をチ ャ ンネ ル,エ
も詳 細 まで 研 究 され た 膜 蛋 白質 と して 知 ら れ て い る1>.
ネル ギ ー を 使 っ て 能 動 的 に輸 送 す る蛋 白 質 を輸 送 体 と よ
た と え ば,全419残
ぶ.輸
の ア ミノ酸 へ の 変 異 体 が 作 製 さ れ て,活
ATPの
送 体 の エ ネ ル ギ ー 源 に は 各 種 の も の が あ る が,
加 水 分 解 を用 い る も の(ABC輸
送 体)と,膜
て た イ オ ン勾 配 の エ ネ ル ギ ー を使 う もの(第2次
送 体)に 大 別 さ れ る.第2次
を隔
能 動輸
ス テ イ ンあ る い は 他
性 に必 要 な 残 基
に つ い て詳 細 な研 究 が 行 な わ れ て い る.も
ち ろ ん,そ の
構 造 解 析 につ い て も10以 上 の 結 晶 構 造 解 析 グ ル ー プ が
15年 以 上 も取 り組 ん で き た が,こ
能 動 輸 送 体 の なか で 最 も大
きな フ ァ ミ リー を形 成 して い る の が,MFS(major
基 に つ い て,シ
facili
得 る こ とが で きな か った.筆
れ まで決 して結晶 を
者 らの研 究 室 は これ まで に
tator superfamily)輸 送 体 と い わ れ る一 連 の 蛋 白 質 で あ
各 種 の 重 要 な膜 蛋 白 質 の 構 造 解 析 に成 功 し て お り(た と
る.MFS輸
送 体 は細 菌 か ら哺 乳 類 ま で 広 く分 布 し て お
え ば 文 献2∼5)),そ の 経 験 を も と に 合 理 的 な 結 晶 化 条 件
り,た とえ ば,糖 尿 病 に 深 い 関係 の あ る グ ル コ ー ス 輸 送
お よび 結 晶 の 最 適 化 条 件 を 開 発 して き た6).今 回,そ れ
体 な どが この フ ァ ミ リー に属 して い る.輸 送 体 蛋 白 質 に
ら の手 法 を 用 い て ラ ク トー ス輸 送 体 の 結 晶 化 ・構 造 解 析
限 らず,多
に成 功 した7).幸 い に も筆 者 ら は,ラ
くの 膜 蛋 白 質 は 各 種 の 病 気 に 関 連 し,ま た細
ク トー ス 類 似 化 合
胞 の 表 面 に あ る た め 医 薬 品 の お も な標 的 と な っ て い る.
物 を結 合 した 形 の 構 造 も得 て,こ
詳 細 な立 体 構 造 の 解 明 が待 ち 望 まれ て い る が,脂
積 さ れ た 膨 大 な 生 化 学 デ ー タ を も と に,ラ
質二重
の 構 造 と こ れ まで に蓄
ク トー ス-水
膜 中 に 存 在 し可 溶 化 して結 晶化 す るの が 困 難 な た め,そ
素 イ オ ン共 輸 送 機 構 につ い て 精 度 の 高 い モ デ ル を提 唱 す
の 研 究 は 可 溶 性 蛋 白質 に比 べ て 非 常 に 遅 れ て い る.現 在
る こ とが で きた.本 稿 で は,ラ
ま で に プ ロ テ イ ンデ ー タバ ン ク(PDB)に
概 要 と,ラ
登録 されてい
る独 立 した 膜 蛋 白 質 の 構 造 は70種 類 程 度 に す ぎな い.
So Iwata,
Imperial
College London, Department
1212
and function
of lactose permease
蛋 白質 核 酸 酵 素Vol.49No.8(2004)
from
of Biological Sciences
Escherichia
ク トー ス-水 素 イ オ ン共 輸 送 機 構 に つ い て,
生 化 学 的 研 究 の結 果 を踏 ま え なが ら説 明 した い.
uk
Structure
ク トー ス 輸 送 体 の構 造 の
coli
and Division of Biomedical
Sciences
E-mail
: [email protected].
か らの 結 晶 構 造 中 で も同 じ場 所 に 基 質 が 結 合 して い る こ
とが 明 らか に な っ た,こ
Ⅰ.ラク トース輸送体の結晶化
ラ ク トー ス 輸 送 体 の 結 晶 はCys154Gly変
られ た.こ
異 体 か ら得
の 変 異 体 は 非常 に低 い 輸 送 活 性 しか 示 さず,
の基 質 はTDGや
ラ ク トー ス の
よ う に二 糖 にみ え る が,TDG中
に存 在 す る硫 黄 原 子 の
強 い 電 子 密 度 は観 察 さ れ な い.現
在 まで に この 基 質 が 何
で あ るか の 同 定 は さ れ て い な い.TDG存
在 下 ・非 存 在
ラ ク トー ス 輸 送 体 の複 数 あ る状 態 の う ち1つ が 非 常 に安
下 の 結 晶 構 造 は3。6Aお よ び3.5Aの
定 化 され た もの で あ る と考 え られ る.結 晶 化 に功 を奏 し
た.両 方 の構 造 は きわ め て似 て い る た め,以 下 で はTDG
た と 考 え られ るの は そ の生 化 学 活 性 の 安 定 性 で あ る.事
存 在 下 の結 晶 に つ い て のみ 議 論 す る.構 造 解 析 の 詳細 に
実,そ
つ い て は原 著 論 文7)を参 考 に さ れ た い.
の 後,複
数 の ラ ク トー ス輸 送 体 変 異 体 か ら結 晶 を
分 解 能 で解析 され
得 て い る が,す べ て 安 定 性 の 高 い もの か らで あ っ た.こ
れ は,複
数 の 類 似 体 や 変 異 体 の なか か ら膜 蛋 白質 の 結 晶
化 を 試 み る 際,ど
規 準 と な る と考 え られ る.
ラ ク トー ス 輸 送 体 は 結 晶 中 に2量 体 で 存 在 す るが,こ
ラ ク トー ス(β-D-ガ ラ ク トー ス とD-グ ル コ ー ス が1→4
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Ⅱ.全体構造
の 蛋 白質 を選 ぶ か につ い て 重 要 な判 断
の2量 体 は膜 の 外 側 と 内側 が 逆 さ ま に な っ た 形 で 合 わ さ
結 合 した も の)の 類 似 化 合 物,TDG(thio-diglactose,2
っ て お り,こ れ は結 晶 化 の 最 中 に 形 成 され た と考 え られ
つ の β-D-ガ ラ ク トー ス が 硫 黄 原 子 を介 し還 元 末 端 ど う
る.実 際 の細 胞 膜 中 で は,生 化 学 実 験 な ど で 示 され た よ
し で結 合 し た もの)の 存 在 下 お よ び非 存 在 下 で 類 似 の 結
う に単 量 体 で存 在 す る と考 え る の が 妥 当 で あ ろ う.ラ ク
晶 が 得 ら れ た.ラ
トー ス 輸 送 体 の単 量 体 は,膜 に 平 行 な方 向 か らみ る と左
ク トー ス 輸 送 体 はTDGに
対 し,ラ ク
トー ス に 比 べ て 低 い 輸 送 活 性 し か 示 さ な い が,こ
TDGが
れは
輸 送 体 に対 し非 常 に 高 い 親 和 性 を 示 し輸 送 を 阻
右2つ
の ドメ イ ンか ら な る,最
大60Å
×60Å の ハ ー ト
形 を して お り,膜 の 細 胞 質 側 か ら見 る と60Å ×30Å の
害 す る た め で あ る.こ の特 徴 は ラ ク トー ス 輸 送 体 と の 共
惰 円 形 を して い る(図1)。2つ
結 晶 を得 る の に適 して い る.TDG存
在 下 で得 られ た結
な 親水 性 の 内 腔 が 形 成 され て お り,そ の 中 央 の 膜 の 両 側
晶 構 造 中 で は は っ き り と したTDGの
電子密 度が 観察 さ
か らほ ぼ 等 間 隔 の 位 置 にTDGが
れ た.興
味 深 い こ とに,TDGを
加 え てい ないサ ンプル
ラ ク トー ス輸送 体の全体 構造
図1
(a)膜 と平 行 な 側 か ら見 た 図.結 合 して い る基 質 類 似体 のTGDは
の ドメ イ ンの 間 に は 大 き
結 合 して い る,親 水 性
内 腔 は細 胞 質 側 だ け に 開 い て お り,ペ
黒 色 で 示 さ れ て いる,(b)膜
リ プ ラズ ム 側 は完
の 細 胞 質 側 か ら見 た 図,[文
献7よ り許 可 を
得 て 転 載]
蛋 白質 核 酸 酵素Vol.49No.8(2004)
1213
図2
分 子 中の 親 水 性 の 内腔 をサ ー
フ ェ ス モ デ ル を 用 い て 表 わ した もの
(a)膜 と平 行 な 側 か ら見 た 図.結 合 して
い る基 質 類 似体 のTGDは
黒 く示 さ れ て
い る.わ か りやす くす るた め に図の 手 前
側 の ヘ リ ック スを 除 いて あ る,(b)膜
の
細胞 質 側 か ら見 た 図.[文 献7よ り許 可
を得 て 転 載]
図3
ラ ク トー ス輸送 体の2次 構 造
基 質 お よ び水 素 イ オ ンの 結 合 に 関係 あ る
残 基 を そ れぞ れ 緑色 と黄 色 で示 した,両
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方 に 関与 す るGlu269は
青 色 で 示 して あ
る.同 時 に膜 貫 通ヘ リック ス に屈 曲 を生
じさ ぜ る 残基 を 紫色 の 四 角 形 で表 して い
る,[文 献7よ
全 に 閉 じて い る(図2).こ
れ ら の 事 実 は,ラ
ク トー ス輸
わ ち,ABC輸
り許 可 を 得 て 転載]
送 体 や 他 の フ ァ ミ リー の 第2次
能動 輸送
送 体 は1つ の 基 質 結 合 部 位 を膜 の 中 に もち,そ の 結 合 部
体 も多 く この 特 徴 を もっ て い る が,解 か れ た構 造 を比 較
位 が 構 造 変 化 に よ り膜 の 異 な っ た 側 か らア クセ スで き る
して み る とヘ リ ッ ク ス の トポ ロ ジー の 問 に 関 連 は み られ
よ うに な る と考 え る “alternating access mode1” の 考 え
な い.た
方 に よ く合 致 して い る.
送 体 で あ る 大 腸 菌 の 薬 剤 排 出 蛋 白 質AcrB8)は,ラ
ク ト
ー ス 輸 送 体 の よ う に6回 膜 貫 通 ヘ リ ッ ク ス を も っ たN
ラ ク トー ス 輸 送 体 は ア ミノ酸 配 列 か ら予 想 され た よ う
に12本
の膜 貫 通 ヘ リ ッ ク ス を 有 して い た(図3).N末
端 側 とC末
端 側 の6本 ず つ の ヘ リ ッ ク ス が そ れ ぞ れ の
ドメ イ ンを形 成 して い る.2つ
配 列 の 相 同性 は 高 くな いが,構
した 形 を して お り,2つ
素 の 位 置 を2.2Aの
も この2回
ミ ノ酸
造 か らは は っ き り と類 似
分 子 内2
興 味 深 い こ と に,他 の 多 くの 輸 送 体 蛋 白 質 も6回 膜 貫
通 ヘ リ ッ クス で 構 成 さ れ た ドメ イ ンを も っ て い る.す な
回転対 称 で
メ インの中のヘ リ ッ
ク ス の パ ッ キ ン グ に は ラ ク トー ス 輸 送 体 と共 通 性 は な
い.ま
た,ミ
トコ ン ドリア のADP/ATP透
込 む 輸 送 担 体)9)は6本
回 転 軸 で 関 係 づ け られ,基 質 のTDG
蛋 白質 核 酸 酵 素Vol.49No.8(2004)
関 係 づ け られ る形 を して い るが,ド
重 ね合 わ せ
回 回転 対 称 を有 して い る).
1214
端 ドメ イ ンが 分 子 内 の 疑 似2回
コ ン ド リア か らADPを
の ドメ イ ン は 内 腔 の ほ ぼ 中 心 を通
回 転 軸 の 上 に結 合 して い る(TDGも
末 端 とC末
の フ ァ ミ リー に属 す る 第2次 能 動 輸
基 の α炭
の ドメ イ ン内 の149残
根 二 乗 平 均 差(RMSD)で
る こ とが で き る.2つ
る 分子 内 の 疑 似2回
の ドメ イ ンは,ア
と え ば,他
過 担 体(ミ ト
排 出 し,代 わ りにATPを
取 り
の膜 貫通 ヘ リッ クスだ け で基 質
の結 合 部 位 を 形 成 して い る.こ れ らの輸 送 体 の 構 造 が 進
化 的 に ど の よ う に 関 連 が あ る の か,ま
た は ま っ た く関 連
が な い の か を 調 べ る こ と は,今 後 に残 され た 大 変 興 味 深
い研 究 課 題 で あ る.
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図4
基質の結合部位
(a)細 胞 質 側 か ら見 た 図.TDGの
電 子 密度 も合 わ せ て示 して あ る.(b)基
質結 合 部 位のN末
端 側 の拡 大 図.[文
献7よ
り許可 を得 て 転 載]
ロ トキ シ ン(ガ ラ ク トシ ドを 含 む受 容 体 に 結 合 す る)10)と
比 べ て み る と,ト リ プ トフ ァ ン と疎 水 的 に ス タ ック して
Ⅲ.基 質結合部位
い る 点,3位
基 質 の 結 合 部 位 は,前 述 の よ うに 親 水 性 の 内腔 の 中 に
存 在 し て い る(図4).TDGの2つ
そ れ ぞ れN末
くに,N末
端,C末
の ガ ラ ク トシ ル 環 が
端 ドメ イ ン に 結 合 し て い る.と
端 ドメ イ ン と ガ ラ ク トシ ル 環 の 間 に は 数 多 く
と4位 の水 酸 基 が 塩 基 性 残 基(エ ン テ ロ ト
キ シ ン の場 合 は リ ジ ン)と 水 素 結 合 し て い る 点,6位
炭
素 が 側 鎖 とフ ァ ンデ ル ワ ー ル ス 相 互 作 用 を してい る点,
お よび,結 合 部 位 の 両 側 に 酸 ま た は ア ミ ドの 極 性 残 基 が
あ る 点 な ど,非 常 に 似 た ガ ラ ク トシ ドの 結 合 部 位 を形 成
の 相 互 作 用 が み られ る.こ の ガ ラ ク トシ ル 環 はTrp151
して い る こ とが わ か っ た.こ
の イ ン ドー ル 環 に疎 水 的 に ス タ ッ ク した 形 で 接 触(ガ ラ
合 部 位 が 基 質 の 特 異 性 に 重 要 な 働 き を して い る こ と を示
ク トシ ル環 に は水 酸 基 が 突 き出 て い な い疎 水 的 な 面 が あ
して い る.
る)し て お り,さ ら に3位
と4位 の 水 酸 基 がArg144の
側 鎖 と二 重 の 水 素 結 合 を形 成 して い る.ま
素 原 子 はMet23と
位 置 に あ る.こ
Glu126な
た,6位
こ れ に比 較 し て,C末
の炭
フ ァ ンデ ル ワ ー ル ス 相 互 作 用 で き る
れ 以 外 に も,周 囲 の 極 性 残 基(た と え ば
ど)も 水 分 子 を介 し て糖 の 結 合 に 関 与 して い る
と考 え ら れ る.と
中 で はArg144と
くに 興 味 深 い 残 基 はGlu269で,構
イ オ ン結 合 して い る が(Trpl51と
造
も水
素 結 合 して い る可 能 性 が あ る),こ
のN末
端 ドメ イ ン側
の 基 質 結 合 部 位 に お い て 唯 一C末
端 ドメ イ ン に 属 し て
端 の基 質結
端 側 の 基 質 結 合 部 位 に は蛋 白 質
と ガ ラ ク トシル 環 の 間 の1本
い.ほ
の こ と はN末
の 水 素 結 合 しか観 測 され な
か に も水 分 子 を介 し た相 互 作 用 が あ る可 能 性 が あ
るが,こ
の 結 合 部 位 はN末
る と考 え られ る.こ
端 側 に比 べ て 非 特 異 的 で あ
の事 実 は,ラ
ク トー ス輸 送 体 は多 く
の ガ ラ ク トシ ドを基 質 とす る こ と を よ く説 明 で き る.つ
ま り,基 質 の 認 識 はN末
り,C末
端 側 の結 合 部位 で行な って お
端 側 は 二 糖 の基 質 に対 し て 非 特 異 的 に結 合 エ ネ
ル ギ ー を付 加 して い る と考 え られ る.た
と え ば,単 糖 で
い る 残 基 で あ る.後 述 の よ うに,水 素 イ オ ン の結 合 す る
あ る ガ ラ ク トー ス は ラ ク トー ス 輸 送 体 の 高 い 特 異 性 を示
と考 え られ る 部 位 は こ の 残 基 の 近 傍 のC末
す が,そ
に存 在 して お り,Glu269は
端 ドメ イ ン
基 質 と水 素 イ オ ンの 輸 送 の
の 結 合 は二 糖 の 基 質 に比 べ てか な り弱 い こ とが
知 られ て い る.
共 役 に重 要 な役 割 を果 た して い る と考 え られ る.
大 変 に 興 味 深 い こ と に,こ のN末
端 の基 質結 合 部 位
Ⅳ.水素イオンの結合部位および移動経路
は 他 の可 溶 性 の ガ ラ ク トシ ド結 合 蛋 白 質 と 共 通 性 を もっ
て い る こ とが わ か っ た.た
と え ば,大 腸 菌 由 来 の エ ンテ
水 素 イ オ ン はX線
構 造 解 析 に よ っ て 得 られ る 電 子 密
蛋 白質 核 酸 酵 素Vol.49NO.8(2004)
1215
図5
水素 イオ ンの結 合 に関与 する残 基
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(a)膜 と平 行な 側 か ら見 た 図.(b)膜
の細 胞 質 側 か ら見 た 図.[文
献7よ
り許 可 を 得 て 転 載]
度 図 の 中 で は 原 理 的 に 観 察 す る こ と が で きな い.し か
か は 不 明 で あ る が,可
し,ラ ク トー ス輸 送 体 に お い て は 変 異 体 の 生化 学 的 研 究
Glu325で
の結 果 か ら水 素 イ オ ンの 結 合 に 関 係 の あ る残 基 が調 べ ら
く な っ て い る と 考 え ら れ,水
れ て い る.結 晶構 造 中 で は,こ
能 性 の あ る 残 基 で あ る,
部 位 近 傍 のC末
て い る(図5).こ
れ らの 残 基 は基 質 の 結 合
能 性 の あ る 残 基 はHis322ま
あ る.Glu325は
た は
疎 水 的 な 環 境 に あ りpKaが
高
素 イ オ ンの 結 合 して い る可
端 側 ド メ イ ン 中 で ク ラス ター を形 成 し
の う ち,His322と
前 述 のGlu269の
変
Ⅴ.基質輸送における構造変化について
異 は基 質 の結 合 お よ び そ の 輸 送 を ほ ぼ 完 全 に阻 害 す る.
これ らの残 基 は糖 の結 合 に は 直 接 関与 して い ない た め,
以 上 の 議 論 の よ う に,本 結 晶構 造 は 基 質 と水 素 イ オ ン
これ らの 変 異 は水 素 イ オ ンの 結 合 を 阻 害 して い る と考 え
に結 合 した ラ ク トー ス 輸 送 体 が膜 の 内 側 を 向 い た 状 態 と
られ る(ラ ク トー ス 輸 送 体 に 基 質 が 結 合 す る た め に は,
な っ て い る と考 え られ る.基 質 の膜 を隔 て た輸 送 に は,
水 素 イ オ ンが 先 に 結 合 して い る こ とが 必 要 で あ る).こ
膜 の外 側 を 向 い た状 態,つ
れ に 対 し,Glu325の
ム側 に 向 か っ て 開 い た構 造 が 必 要 で あ る.N末
中 性 残 基 へ の 変 異 とArg302の
ア
ま り親 水 性 内 腔 が ペ リ プ ラ ズ
端 お よび
ラ ニ ン また は セ リ ンへ の 変 異 は ラ ク トー ス輸 送 体 を つ ね
C末 端 側 ドメ イ ンは 長 い フ レキ シブ ル な ル ー プ で 結 合 さ
に水 素 イ オ ンが 結 合 した 状 態,つ
れ て お り,こ の 内 向 き と外 向 きの 構 造 変化 は2つ の ドメ
ま り水 素 イ オ ンの 移動
な しに ラ ク トー ス を そ の 濃 度 勾 配 に 従 って 輸 送 で きる状
態 とす る こ とが 知 られ て い る.こ
れ らの 残 基 は水 素 イ オ
イ ンの 間 の 部 分 回 転 で起 こる こ と は容 易 に 想 像 で きる.
Ron
Kabackら
に よ っ て 行 な わ れ たN末
端 お よ びC
ンが 結 合 部 か ら放 出 さ れ る経 路 に位 置 し,そ の 変 異 は水
末端 ドメ イ ン の 架 橋 実 験 の 結 果 は この 推 論 を支 持 して い
素 イ オ ンの放 出 を ブ ロ ッ クす る と考 え られ て い る.
る11).彼 ら の 実 験 の 結 果 に よ る と,N末
先 述 の よ う に,Glu269は
に イ オ ン結 合 し て い る.こ
糖 を 結 合 し て い るArg144
のGlu269は,生
端 お よ びC末
端 ドメ イ ンは 細 胞 質 側 で もペ リプ ラズ ム側 で も近 接 して
存 在 して い る が,こ
直接 相互 作
る.本 結 晶構 造 中 で はペ リプ ラ ズ ム側 だ け で両 ドメ イ ン
験 か ら輸 送 サ イ ク ル の あ る 時 点 でHis322と
化 学的 な実
れ は本 結 晶 構 造 と は 明 らか に 異 な
用 して い る と考 え ら れ て い る が,本 結 晶 構 造 中 で は5.8
は接 し て お り,細 胞 質 側 で は接 して い な い.Kabackら
A離 れ て位 置 して い る.こ
の 実 験 は 構 造 変 化 を 制 限 して い な い輸 送 体 蛋 白 質 を使 っ
のGlu269とHis322の
相互作
用 が 基 質 と水 素 イ オ ンの 輸 送 の 共 役 の 鍵 と な っ て い る と
て 行 な わ れ た た め,ラ
考 え られ る が,今
内 側 向 き と外 側 向 き の 両 方 の 状 態 を とる こ とが で きた と
るの か,ま
回 の構 造 だ け か らは な にが 起 こ っ て い
だ正 確 に は わ か らな い.
本 結 晶 構 造 中 で は ど こ に 水 素 イ オ ンが 結 合 して い る の
1216
蛋 白 質 核 酸 酵 素Vol.49No.8(2004)
考 え られ る.つ
ク トー ス輸 送 体 は 実 験 の あ い だ,
ま り,架 橋 実 験 の 結 果 は この2つ
の状態
を 混 同 して 観 察 し て い る と考 え られ る.こ の こ とを 逆 手
図6
内 側 向 き と外 側 向 きの 構 造 の
比較
(a)内 側 向 きの 構 造(本 結 晶 構 造),基
存在 下 でN-エ
質
チル マ レ イミ ドに よ り修
飾 性 が 増 大す る シス テ イ ン残 基導 入 変 異
体 の 変 異 の 位 置 を黄 色 で 示 した.(b)外
側 向 き の 構造.架 橋実 験 の 結 果か ら作成
した モ デ ル,詳 細 は 本 文 を 参 照 さ れ た
い.[文 献7よ
に とっ て,架 橋 実 験 の 結 果 の う ち 結 晶構 造 に合 わ な い も
つ の残 基 の 相 互 作 用 の変 化 が,内 側 向 き と外 側 向 きの 状
の だ け を選 び,ド メ イ ン間 の 距 離 を満 た す よ うに 内向 き
態 の変 化 を制 御 して い る と考 え ら れ る.
の 結 晶 構 造 のN末
Database Center for Life Science Online Service
り許可 を得 て 転載]
端 ・C末 端 ドメ イ ン を 部 分 回 転 させ
た 結 果 を図6に 示 す.そ の 結 果 は,内 側 向 き と外 側 向 き
Ⅵ.ラ ク トースと水素イオンの共輸送の機構
の 状 態 変 化 は基 質 結 合 部 位 付 近 を通 る軸 周 り60。程 度 の
回 転 で う ま く説 明 が で き る こ と を示 し て い る,こ の こ と
以 上 の構 造解 析 お よ び モ デ リ ン グ の結 果 と これ ま で の
は,基 質 存 在 下 で ノ
粋 エ チ ル マ レ イ ミ ドに よ り修 飾 性 が
生 化 学 的 な 実験 の 結 果 か ら,筆 者 らは以 下 の よ う な ラ ク
増 大 す る よ う な シ ス テ イ ン残 基 導 入 変 異 体 の 置 換 部 位
トー ス と水 素 イ オ ンの 共 輸 送 機構 を提 唱 した.
が,内 側 向 き構 造 で はN末
端 とC末
端 ドメ イ ンの 接 触
共 輸 送 の 機 構 は生 化 学 実 験 の 結 果 か ら,図7で
示 され
面 に存 在 し,溶 媒 に露 出 して い な い部 分 で あ る こ とか ら
る よ う な6状 態 で 表 わ され る と考 え られ て い る.外 側 向
も支 持 され る.こ の 結 果 は,ラ
ク トー ス 輸 送 体 は 内 向 き
きの状 態 か ら基 質 を水 素 イ オ ン と と も に膜 の 内側 に 取 り
の 状 態 が よ り安 定(少 な く と も こ の 実 験 条 件 で は)で あ
込 む 過 程 は 以 下 の よ うに 説 明 す る こ とが で きる.外 側 向
り,基 質 の 結 合 に よ って 外 側 向 きの 状 態 へ の 変 換 が う な
きか つ 水 素 イ オ ンの 結 合 し て い な い 状 態(a)は 不 安 定
が され る こ とを示 して い る.
で,す
外 側 向 き状 態 の モ デ ル で はN末
端 側 ・C末 端 側 の ド
メ イ ン を剛 体 と して動 か して い る が,実
際 に はそ の 接 触
ぐに水 素 イ オ ン を結 合 した 状 態(b)に 移 行 す る こ
とが 知 られ て い る.こ
よ びGlu269付
の と き,水 素 イ オ ン はHis322お
近 に 結 合 す る と考 え られ る.こ
の結 合 が
面 で 両 側 の ヘ リ ック ス が構 造 を細 か く変 化 させ る 必 要 が
基 質 結 合 部 位 に糖 を 結 合 可 能 に す る(c)と 考 え ら れ る
あ る.図1で
が,実 際 の外 側 向 き状 態 の構 造 が な い た め,結 合 可 能 に
も わ か る よ う に,ラ
ク トー ス 輸 送体 の膜 貫
通 ヘ リ ッ クス の 多 くは 途 中 で 折 れ 曲 が っ た 不 規則 な構 造
な る理 由 は不 明 で あ る.こ の 基 質 の 結 合 がArg144の
を して い る.こ れ らの 不 規 則 構 造 は プ ロ リ ン,グ リ シ ン,
置 を動 か し てGlu269と
ア ラ ニ ンな どの ヘ リ ック ス の 構 造 を不 安 定 化 す る残 基 で
内 側 向 き の 状 態(d,本 結 晶 構 造)へ と構 造 変 化 が 促 さ れ
起 こ っ て い る.不 規 則 構 造 は と く に親 水 性 の 内腔 に 面 し
る.こ の と き,His322とGlu269の
た ヘ リ ック ス で 多 く観 察 さ れ(図2),こ
る た め,水 素 イ オ ンは よ りpKa、の 高 いGlu325へ
外 側 向 き の 状 態 変 化 が 起 こ る 際,N末
れ は 内側 向 き と
端 側 お よ びC末
す る と考 え ら れ る.こ
位
イ オ ン結 合 を 可 能 に す る た め,
間の水 素結 合が切 れ
と移行
の状 態 で は 基 質 の 結 合 は 弱 くな っ
端 側 ドメ イ ンの接 触 面 を最 適 化 す る の に重 要 な働 き を し
てお り膜 の 内 側 へ と放 出 さ れ る(e).Glu325に
て い る と考 え られ る.
水 素 イ オ ンは 水 素 イ オ ン濃 度 の低 い膜 の 内 側 へ と放 出 さ
も う1点 興 味 深 い の は,外 側 向 きの 構 造 の モ デ ル で は
Arg144とGlu269の
側 お よびC末
位 置(図6で
基 質 の す ぐ下 のN末
端
端 側 ドメ イ ン に存 在 す る)が 離 れ て い て,
結 晶 構 造 で み られ る イ オ ン結 合 を 形 成 す る の が不 可 能 な
れ る(f)が,こ
の 過 程 でArg302がGlu325のpKaを
結 合 した
変化
させ る役 割 を果 た して い る 可 能 性 が あ る.水 素 イ オ ン を
放 出 した あ との 内側 向 き の構 造 は不 安 定 で,す
ぐに外 側
向 き状 態(a)へ と構 造 変 化 す る.
こ と で あ る.基 質 お よ び水 素 イ オ ン の 結 合 に よ る この2
蛋 白 質 核 酸 酵 素Vol.49No.8(2004)
1217
Database Center for Life Science Online Service
図7
ラク トース と水 素 イオ ンの共 輸送機 構の モデ ル
S:基
質.詳 細 は本 文 を参 照 さ れ たい,[文 献7よ り許 可 を得 て 転 載]
お わ りに
筆 者 らの提 唱 した ラ ク トー ス と水 素 イ オ ンの共 輸 送 機
構 を証 明 す る た め に は,で
造,少
きれ ば6状 態 す べ て の結 晶 構
3)
4)
な く と も内 側 向 き状 態 お よ び外 側 向 き状 態 の構 造
と基 質 の 結 合 して い な い 状 態 の構 造 が 不 可 欠 で あ る.ま
た,結 晶 構 造 の 分解 能 を 上 げ て溶媒 の構 造 を 明 らか に す
る こ と も必 須 で あ る と考 え られ る.こ れ まで に,基 質 の
5)
6)
結 合 して い な い 内 側 向 き状 態 の構 造 に 対 応 す る 結 晶 で
2.5Aを 越 え て 反 射 が 出 る もの が 得 られ て お り,ま た,
各 種 変 異 体 を 使 っ て 外 側 向 き状 態 の 構 造 の 結 晶 を 得 る努
力 を し て い る.近
本 研 究 はUCLAのRon
son研
Kaback教
9)
授 の 研 究 室 と共 同 で 行 な わ れ
際 の構 造 解 析 を 行 な っ た の は 筆 者 らの 研 究 室 のJeff
究 員 で あ る.イ
っ て 行 な わ れ た.原
shoお
ギ リ ス で の 研 究 はBBSRCの
著 論 文 の 共 著 者lrina
よ びGillian Verner,デ
美 研 究 員 に 感 謝 した い.す
に お い てClemens
8)
い 将 来 に ラ ク トー ス 輸 送 体 の 共輸 送 機
構 が 原 子 レベ ル で 明 らか で きる こ と を期 待 して い る.
た.実
7)
10)
Abram
サ ポ ー トに よ
Smirnova,
Vladimir
Ka
ー タ の 測 定 に 協 力 して くれ た 岩 田 茂
べ て の デ ー タ 測 定 はSwiss
Schulze-BrieseとTakashi
Light
Tomizakiの
11)
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Source
サポー
トに よ り行 な わ れ た.
岩田 想
略 歴:1991年
東京大学 大学院農 学系研 究科 農芸 化 学専 攻博
士 課 程 修 了,農 学 博 士,高 エ ネ ル ギ ー 物 理 学 研 究 所 研 究 員,
マ ッ ク ス プ ラ ン ク 生 物 物 理 学 研 究 所 研 究 員(ド イ ツ,フ ラ ン
ク フル ト),ス ウ ェー デ ン ウ プ サ ラ 大 学 講 師 お よ び教 授 を 経
1)
2)
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蛋 白質 核 酸 酵 素Vol.49No.8(2004)
て,2000年
よ りイ ンペ リ アル カ レ ッ ジ ロ ン ドン,生 命 科 学
科 お よ び 生 命 医 学 科(兼 任)膜 蛋 白 質 構 造 解 析 研 究 室 教 授,
研 究 テ ー マ:膜 蛋 白 質 お よ び 蛋 白 質 複 合 体 のX線
解 析,関
結 晶構 造
心 事:ヨ ー ロ ッパ と 日本 の 研 究 ・文 化 交 流.