蛋白質核酸酵素:病原性大腸菌0157の毒素

● 解 説 ●
病 原性 大腸 菌0157の
毒素
遠藤弥重太
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ベロ毒素は蛋白質で,リ ボソームの不活性化作用をもつA鎖 と細胞への侵入に関与する
B鎖 とから構成されるが,こ の特性にサ リンをはるかに上回る猛毒性の秘密が隠されてい
た。A鎖 は新規酵素で,28SrRNAの
特定部位 に作用 し,リ ボソームから1分 子のアデニ
ンを遊離させることによって蛋白質合成を阻害 し,細胞を死に至らしめる。B鎖 機能には
不明の点が多い。本稿では,A鎖 の構造と触媒機構,そ のrRNAの 標的構造と翻訳反応に
おける機能を中心に,病 原性大腸菌0157と その病因毒素について解説する。
Key words
【病 原 性 大 腸 菌 】 【ベ ロ 毒 素 】 【RNA2 N-グ
リコシダー ゼ】
【リボ ソ ー ムRNA】
は じめ に
成 人 の 腸 内 にす み つ い て い る100種,100兆
個 に も及 ぶ 腸 内 細 菌 は,わ
れ わ れ に葉 酸 な ど ビ タ ミ ン
を供 給 し て くれ て い る ばか りで な く,Louis
割 を 果 た し て い る1)。 しか し,総 菌 数 の0.1%ほ
I.ベロ
毒 素 産 生性 大 腸 菌
ど にす
ガス兵器 のサ リンよ り も
は るか に 毒 性 の強 い ベ ロ毒 素 を 産 生 す る 菌 群 が あ る。
筆 者 は,巨 大 分 子 で あ る リ ボ ソ ー ム の構 造 と機 能 に
関 す る研 究 過 程 で,種
細 に つ い て は原 著 を 参 照 さ れ た い 。
Pasteurが
指 摘 し た よ う に,わ れ わ れ の 健 康 に きわ め て 重 要 な 役
ぎ な い大 腸 菌 の な か に は,毒
て 解 説 す る 。 本 稿 で は お も に総 説 を引 用 した の で,詳
々 の植物 毒素 や細 菌毒 素 に知恵
ヒ トに下 痢 を ひ き起 す 病 原 性 大 腸 菌 は,そ
の 特 徴 に よ っ て5種
の病 原 性
類 に分 け られ る(表1)2)。 昨 年,騒
動 を ひ き起 こし たの はベ ロ毒 素 産 生 性 大 腸 菌 で あ る。 大
腸 菌 は,菌 体 表 面 の 鞭 毛 成 分(も
と も と は,遊 走 集 落
を借 り る こ と を 思 い つ き,そ れ ら毒 素 の 作 用 機 構 を解
形 成 を意 味 す る独 語,Hauchbildungの
明 す る こ とか ら研 究 を 始 め た 。 そ の 結 果,ベ
抗 原 と よ ば れ る)と 鞭 毛 を 除 く菌 体 表 面 成 分(同,鞭
ロ毒 素 は
ヒマ 毒 素 な ど とそ の作 用 機 構 が 同 一 で,7,000個
のヌク
毛 を 欠 くた め 遊 走 で きず 集 落 形 成 を 意 味 す る,ohne
レオ チ ド残 基 か ら構 成 され る リボ ソー ムRNA(rRNA)
Hauchbildungの
の 特 定 部 位 の1個
学 的 に多 種 類 の 亜 型 に 分 類 され,H抗
のN-グ
リ コシ ド結 合 を加 水 分 解 す る
頭 文 字 か らO抗
こ とに よ っ て リボ ソ ー ム を不 活 性 化 し,細 胞 の 蛋 白質
さ ら にO抗
合 成 を 阻 害 す る新 規 酵 素 “RNA N-グ
ベ ロ毒 素 を産 生 す る菌 はO157型
リコ シダー ゼ”
で あ る こ とが 明 らか に な っ た 。 本 稿 で は,ベ
分 子 機 作 を 中 心 に,rRNAの
Yaeta
Endo,
ロ毒素 の
機 能 構 造 との 関 連 に お い
愛媛大学工学部 応用化学科(〒790松
652
原 で は180種
あ り,O157:H7と
原)の
違 い か ら血 清
原 で は50種
類,
類 が 同 定 さ れ て い る。 問題 の
の なか で もH7型
菌で
表 記 され るが,こ の菌 型 以 外 に,約
20種 のベ ロ 毒 素 産 生 菌 が 報 告 され て い る。 か つ て,猛
山市文京 町3番) [Department
Ehime University, Bunkyo-cho, Matsuyama 790,Japan]
Toxin Produced by Enteropathogenic Escherichia coli O157
頭 文 字 か らH
of Applied Chemistry, Faculty
of Engineering,
45
病原性大腸菌O157の 毒素
ことが判 明 し,に わか に注 目
表1 病 原性 大 腸菌
を集 め るよ うにな った。 この
食 中毒 の症 状 は,最 初 は腹痛
と水様 便 で少量 の血 液 を認 め
る程度 で あ るが,や が て ほ と
ん ど鮮血 を排 出す る ことか ら,
病 名 は出血 性 大腸 炎 と名 づ け
られ た。 出血性 大 腸炎 に続 発
す る溶血性 尿 毒症 症候群 や 血
栓性 血小 板減 少性 紫斑 病 をひ
き起 こす原 因物質 は赤 痢菌 の
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産生 す る志賀 毒素 や,ベ ロ毒
威 をふ る っ た 赤 痢 菌 は 志 賀 毒 素 を産 生 す るが,大
腸菌
に最 も近 縁 の 腸 内 細 菌 であ る。 食 中 毒 菌 の多 くは100万
個以上 の 菌 を摂 取 し な い 限 り発 症 し な い が,ベ
産生性 大 腸 菌 は赤 痢 菌 な ど と同 じ で,少
ロ毒素
数 の菌 で感染
素 産 生 性 大 腸 菌 のベ ロ毒 素 で あ る3)。
わ が 国 にお け るベ ロ 毒 素 産 生 性 大 腸 菌 に よ る発 症 は,
これ まで に も散 発 的 に報 告 さ れ て い た が4),昨 年5月
岡 山 県 にお け る集 団 下 痢 症 の発 生,7月
の
の大 阪 府 堺 市 の
が成 立 し発 症 に 至 る 。 これ が 食 中 毒 と伝 染 病 の 相 違 点
集 団 大 発 生 事 件 へ と続 き,ほ
とん ど全 国 で 患 者 が 出 る
で あ る。
に至 り,総 患 者 数 も9,000人
を こ え,日
大腸 菌 の な か にvero細
由来 の 培 養 細 胞)に
が あ る こ とが1978年
胞(ア
フ リカ ミ ドリザ ル 腎 臓
本 中 をパニ ッ
ク に 陥 れ た。
致 死 的 に働 く毒 素 を産 生 す る菌 型
に発 見 され,そ
と名 づ け られ た 。5年 後 の1982年
の 毒 素 が ベ ロ毒 素
に米 国 のオ レ ゴ ン州
と ミシ ガ ン州 で 相 次 い で 発 生 し た ハ ンバ ー ガ ー に よ る
赤 痢 菌 は 志 賀 潔 に よ っ て,1898年
に発 見 さ れ た が,
食 中毒 事 件 の 原 因 菌 が ベ ロ 毒 素 を 産 生 す る 大 腸 菌O
そ の 数 年 後 に は毒 素 の 存 在 が 記 載 さ れ て い る。 志 賀 毒
151:H7で
素 を初 め て 単 一 ま で に精 製 し,毒 素 の 詳 細 な性 状 を 報
あ る こ とが つ き とめ られ,さ
ら にそ の後,こ
のベ ロ毒 素 活 性 が 志 賀 毒 素 に対 す る 抗 体 で 中和 さ れ る
告 し た の は01snesら
で,1981年
素 分 子 が 分 子 量 約60Kの
分 子 量30.5Kの1本
鎖6∼1本
で あ った 。 彼 らは,毒
蛋 白質 で,尿
のA鎖
素 処 理 に よっ て
と,分 子 量5K前
後 のB
に解 離 す る こ と,お よび毒 素 を β-メル カ プ ト
エ タ ノ ー ル の 存 在 下 で ト リ プ シ ン処 理 す る と,A鎖
は
分 子 量27.5KのA1フ
ラ グメ ン トと分 子 量3KのA2フ
ラ グ メ ン トを含 むB鎖
複 合 体 に分 か れ る こ と(図1),
な どを 報 告 した5)。最 近,Steinら
構 造 解 析 に成 功 し,B鎖
体5個
が69個
は,B鎖
のX線
結晶
の ア ミノ酸 残 基 の 単 量
か ら構 成 され る こ と を 示 し,さ
ら に,単 量 体 間
に み られ る 溝 が 受 容 体 との 結 合 部 位 で あ ろ う と指 摘 し
て い る6)。Scotlandら
は,大 腸 菌0157が
蛋 白質 分 子
の 性 状 が 少 し異 な る2種 類 の ベ ロ 毒 素 を産 生 す る こ と
を 見 い だ し7),Strockbineら
157の2種
は,こ
の2種
の 毒 素 がO
類 の フ ァー ジ 遺 伝 子 に別 々 に コ ー ドされ てい
る こ とを報 告 した8)。 蛋 白質 化 学 的 分 析 や 塩 基 配 列 の 解
図1
ベ ロ毒 素 とラ イ シ ンの模 式 構造
析 か ら,1つ
は分 子 構 造 が 志 賀 毒 素 と同 一 の 毒 素9)で,
653
46
蛋 白質
表2
VTII
A鎖
核酸
酵素
Vol.42
No.4(1997)
に よ る リボ ソ ー ム の 不 活 性 化 の 様 式
異 的 に障 害 さ れ る こ と,な
を示 し た 。VTIIのA鎖
ど
で処
理 し た リボ ソ ー ム の ペ プ チ ド
鎖伸長 段 階 にお ける連続 す る
各 素 反 応(ア
ミ ノ ア シ ル
tRNA-EF-1-GTPの
GTPの
結合 と
加 水 分 解,ペ
成,EF-2-GTPの
GTPの
ほか は この 毒 素 のA鎖,B鎖
%の
と それ ぞれ,55.6%,58.0
ア ミ ノ酸 配 列 の 相 同 性 を示 す 分 子 で あ る こ とが 明
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らか に な り,前 者 が ベ ロ毒 素I(VTI),後
素II(VTII)と
よ ば れ る よ う に な っ た3)。VTI(志
毒 素)とVTIIは,後
賀
述 す る よ う に,両 蛋 白 質 の毒 性 発
現 機 作 は 同一 で あ る。VTIと
VTI遺
者 が ベ ロ毒
志 賀 毒 素 で 異 な る点 は,
伝 子 が 大 腸 菌 の フ ァ ー ジDNAに
のってい るの
に対 して,志 賀 毒 素 は赤 痢 菌 の 染 色 体DNAに
コー ドさ
れ て い る8)。
プ チ ド合
結 合 と
加 水 分 解)の 活 性 を 植
物 毒 素 で あ る ラ イ シ ンA鎖
処 理(後 述)の そ れ と比 較 し,
表2に
A鎖
ま とめ た12)。VTII
活 性 化 の 機 能 的 特 徴 は,こ
に よ る60S亜
うに 解 釈 され て い る。 す なわ ち,(1)EF-1依
機 能 が 著 し く低 下 す る た め,リ
GDPの
粒 子 の不
の 表 の 実 験 結 果 か ら次 の よ
存GTPase
ボ ソ ー ム か らのEF-1-
解 離 度 が 低 下 し,そ の 結 果 と し てEF-1結
合量
が 対 照 よ り も 上 昇 す る よ う に み え る,(2)EF-2依
GTPase能
が 上 昇 す る た め,EF-2-GDPの
存
リボ ソー ム
か らの 解 離 度 が 上 昇 し,見 か けのEF-2-GTP受
容 能が
低 下 す る,し か し,(3)ピ ュ ー ロ マ イ シ ン反 応 の結 果 は,
III.毒
ペ プ チ ジ ル トラ ン ス フ ェ ラ ー ゼ活 性 が 影 響 を 受 け て い
性発 現 機 作
な い こ と を示 し て い る,な
ベ ロ 毒 素 は,ジ
フ テ リア 毒 素,ボ
ツ リヌ ス 毒 素 や 破
ま とめ る と,毒 素 はB鎖
傷 風 毒 素 と と も に,細 菌 毒 素 の な か で も最 も毒 性 の強
A鎖
い 一 群2)で,サ
機 能 を不 活 性 化 す る こ とに よ っ て,蛋
リ ン よ り もさ らに2桁
ベ ロ毒 素 は,vero細
示 す が,ウ
ほ ど毒 性 が 高 い 。
胞 に対 して と くに強 い細 胞 毒 性 を
サ ギ の 腹 腔 あ るい は静 脈 か ら投 与 す る と,四
肢 の麻 痺 の の ち に 昏 睡 に 陥 り,3∼4日
VTIIは
後 に死 亡 す る。
マ ウ ス を 用 い た 実 験 か らVTIよ
り も さ らに30
が 細 胞 内 で60S亜
ど で あ る 。 こ れ らの 結 果 を
を介 して細 胞 へ 結 合 ・侵 入 し,
粒 子 の 伸 長 因 子 依 存GTPase
白質合 成 を阻害
し,細 胞 毒 性 を発 現 す る とい う図 式 が 描 け る よ う に な
っ た(図2)。
ま た,B鎖
関 す る研 究 も進 み,受
の細胞膜 表 面へ の結 合様 式 に
容 体 に 糖 脂 質 のGa1α1→4Gal
末 端 構造 や 糖 蛋 白質 の β1→4N-ア
セ チ ル-D-グ ル コサ
倍 ほ ど毒 性 が 強 い こ とが 知 られ て い る3)。後 述 の 植 物 毒
ミ ンが 関 与 す る こ と もわ か っ て き て い る 。 これ ら の研
素 で あ る ラ イ シ ン を ヒ トに投 与 す る と,同 様 な 症 状 を
究 か ら,HeLa細
呈 し,死 に至 る ら し い10)。Olsnesら11)は,種
々 の培 養
を 示 す に もか か わ らず,vero細
細 胞 を 用 いた 毒 性 機 作 の 実 験 か ら,(1)VTIが
細胞 の蛋
高 い 感 受 性 を示 す,と
白質 合 成 を特 異 的 に 阻 害 す る こ と,ま た尿 素 処 理 でA,
受 容 体 構 造 とB鎖
胞 は一 部 の株 を除 いて ベ ロ 毒 素 に耐 性
い う細 胞 種 に よ る 感 受 性 の 差 が
な っ た11,13)。す なわ ち,O157患
細 胞 膜 に は細 胞1個
発 症 は,ベ
の毒 素 結 合 部
位 が 存 在 し,毒 素 との 会 合 定 数 は109∼1010M-1程
あ る こ と,な
度で
と に原 因 す る もの と説 明 で き る。
ベ ロ 毒 素 の猛 毒 性 の秘 密 は,B鎖
る い はA1フ
ト)の 作 用 に よ っ て,(1)翻 訳 反 応 の3つ
ペ プ チ ド鎖 伸 長,翻
訳 終 結)の
654
ラ グメ ン
の 過 程(開 始,
う ち で も,ペ プ チ ド鎖
伸 長 活 性 が 消 失 す る,(2)標 的 は60Sリ
で,ペ
者 に み られ る 腎 不 全 の
ロ毒 素 が と く に 腎臓 細 胞 に 侵 入 しや す い こ
ど を 示 した 。 さ ら に無 細 胞 系 を 用 い た 検
討 か ら,リ ボ ソ ー ム はA鎖(あ
プ ヂ ド鎖 伸 長 因 子,EF-1,EF-2依
ボ ソー ム 亜 粒 子
存 機能 が特
きわ め て
の性 質 か ら う ま く説 明 され る よ うに
B鎖 に 解 離 させ る と,こ の 阻 害 活 性 が 消 失 す る こ と,②
あ た り,お よそ106個
胞 がVTIに
い 結 合 能 と,A鎖
に よ る細 胞 へ の 強
の もつ 触 媒 的 な リ ボ ソー ム不 活 性 化
機 能 に あ っ た わ け で あ る(図2)。
ベ ロ 毒 素 の リ ボ ソー
ム 不 活 性 化 の分 子 機 構 の 話 に 移 る 前 に,こ
の研 究 の発
端 とな っ た ラ イ シ ンお よび リ ボ ソー ム 研 究 の 話 を して
お きた い 。
47
病原性 大腸菌O157の 毒素
と こ ろが 多 い 。 しか しそ の 後 も,60Sリ
ボ ソー ム 亜 粒 子
の 不 活 性 化 機 作 の詳 細 に つ い て は不 明 の ままで あっ た 。
筆 者 は,巨 大 分 子 で あ る リ ボ ソー ム の 研 究 を 続 け て
い た が,従
来 の 生 化 学 的 手 法 を そ の ま ま用 い る こ と に
限 界 を 感 じ,ラ イ シ ンA鎖
を探 査 針 と して解 析 す る こ
と を 思 いつ い た 。 リ ボ ソー ム は,数 十 種 類 の 蛋 白質 と
数 種 類 のRNAか
RNA-蛋
nia大)ら
ら構 成 さ れ る大 小 亜 粒 子 か ら な る
白質 複 合 体 で あ る。1968年
実 験 の 成 功 は,リ
の の,単
の野 村(現Califor-
に よ る大 腸 菌 小 亜 粒 子 の 試 験 管 内 完 全 再 構 成
ボ ソ ー ム研 究 の エ ポ ッ ク を画 し た も
離 し た どの 蛋 白質 成 分 も活 性 を も た な い こ と
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な どか ら,こ の 巨 大 な ペ プ チ ドポ リメ ラ ー ゼ の 分 子 機
構 の 研 究 に は直 接 に は結 び つ か な か っ た。 “酵 素 ≡ 蛋 白
図2
細胞 毒 素機 作 の 模 式 図
ベロ毒素 や ラ イ シ ン は ,B鎖(レ
クチ ン)を 介 して 細 胞 膜 表 面 の
質 ”とい うE.Buchnerに
さか の ぼ る生 化 学 の 常 識 か ら,
受容 体 に結 合 し,細 胞 内 へ エ ン ドサ イ トー シ ス に よ って 取 り込 ま
蛋 白 質 合 成 も ま た リ ボ ソー ム 蛋 白質 が 触 媒 反 応 の 主 役
れる。 エ ン ドソー ム,ゴ ル ジ 装 置 を 経 て,A鎖
をつ と め て い る もの と信 じ られ て い た か らで あ ろ う。
が細 胞 質 へ 移 行 し,
60Sリ ボ ソー ム 亜 粒 子 を触 媒 的 に 不活 性 化 す る。1分 子 の毒 素 で1
個の細胞 を 殺 して し ま うが,毒
素 の細 胞 質 へ の移 行 過 程(→)の
V.ベロ
詳細 は 不 明 の 点 が 多 い 。
毒 素A鎖 は ラ イ シ ンA鎖 と同一 酵 素活 性を も って
いた
IV.植
物 毒 素 ラ イ シ ンと リボ ソー ム研 究
ラ イ シ ンA鎖
に よ る リボ ソー ム60S亜
化 機 構 に つ い て は,お
ライ シ ン は ヒマ種 子 に含 まれ る細 胞 毒 素 蛋 白 質 で,そ
の名 を 世 界 中 に 知 ら し め た の は,次
月3日 付 のLondon telegraph誌
務先 のBBCか
の よ うな1979年1
の 記 事 で あ った 。 「
勤
ら帰 宅 を 急 い で い た元 ブル ガ リア の諜 報
員G.Markovは,ロ
痛み を感 じ,振
ン ドン市 内 の バ ス 停 で,わ
ずかな
り向 く と,男 が コ ウ モ リ傘 を拾 い 上 げ
て立 ち 去 っ た 。Markovは
そ の夜 か ら昏 睡 に お ち い り,
た 多 くの 研 究 報 告 が な さ れ た が,筆
の塩 基 と リボ ー ス を つ な ぐ1個 のN-グ
の新 規 酵 素 をRNA N-グ
rRNA中
のA鎖
リ コシ ダー ゼ と命 名 した16,17)。
の 作 用 部 位 は,28SrRNAの5'末
の ア デ ニ ン ヌ ク レオ チ ド残 基 で,こ
目(大 腸 菌 の23SrRNAで
分 子 の3'末 端 側 に存 在 す る小 さなル ープ 内 に位 置 し,毒
素 ドメ イ ン と名 づ けた 。5'-AGUACGAGAGGA-3'(下
線 残 基 が 作 用 点)か
分子 量 約30KのA鎖
メ イ ン 部 の 塩 基 配 列 は,rRNA分
をもつB鎖
か ら;構成 さ れ る い わ ゆ るAB毒
の 本 格 的 な 研 究 は,Olsnesら
た14)。彼 ら は,ラ
イ シ ンA鎖
が,ウ
サ ギ網 状 赤 血 球 溶
血系 の蛋 白質 合 成 を阻 害 す る こ と,さ
リボ ソ ー ム 大 亜 粒 子(60S)の
素 で(図1
に よ って な され
ら に こ の 現 象が
ペ プ チ ド鎖 伸 長 活 性 の 消
失 に起 因 す る とい う研 究 結 果 を1974年
に発 表 した 。 図
2に 示 し たベ ロ毒 素 の機 作 もラ イ シ ン研 究 の成 果 に負 う
目)
の部 位 は大rRNA
いわ れ て お り,ナ チ ス が 多 用 し た ら しい 。 ラ イ シ ン は,
b),そ
端
は,2660番
ので あ っ た 。 ラ イ シ ン の ヒ トに対 す る致 死 量 は5μgと
と,ほ ぼ 同 サ イ ズ の レ クチ ン活 性
はRNA
リコ シ ド結 合 の
加 水 分 解 反 応 を触 媒 す る酵 素 で あ る こ とが 判 明 し,こ
この 暗 殺 に ラ イ シ ン が 使 わ れ て い た こ と,こ
の事 件 に
焦 点 を絞 っ
て そ の メ カ ニ ズ ム を追 究 した。 そ の結 果,A鎖
か ら4324番
関 与 した こ と を突 き とめ た 」 と報 じた
者 らはそれ まで の
抗 腫 瘍 蛋 白質 研 究 の 経 験15)か ら,rRNAに
4日 後 に変 死 した。 イギ リスの 生 物 化 学 兵 器 の 専 門 家 は,
ロシア のKGBが
粒子 の不 活性
も に リボ ソ ー ム 蛋 白質 に注 目 し
ら な る プ リ ン塩 基 に 富 ん だ 毒 素 ド
子 の な か で も最 も進
化 的 に保 存 さ れ た構 造 で あ る(図3,図4a)。
ラ イ シ ンA鎖
は動 物 細 胞 の 場 合,7,000個
チ ド残 基 か ら構 成 さ れ るrRNA分
rRNAの
す なわ ち,
の ヌ ク レオ
子 の な か で も28S
毒 素 ドメ イ ン部 に作 用 し,リ ボ ソー ム か ら1分
子 の ア デ ニ ン を 遊 離 さ せ る こ とに よ っ て,そ
ド鎖 伸 長 因 子(EF-1,EF-2)依
を 消 失 せ し め,蛋
のペ プチ
存 性 のGTPase活
性
白 質 合 成 を 阻 害 し,細 胞 を死 に至 ら
655
48
蛋 白質 核 酸 酵素
Vol.42
No.4(1997)
し め る こ とが 分 子 レベ ル で 明
らか に な っ た 。 そ の 後,竹
田
美 文(国 立 国 際 医療 セ ンタ ー)
ら と の 共 同 研 究 か ら,VTI
(志 賀 毒 素)とVTIIも
RNA N-グ
また
リ コ シ ダ ー ゼ で,
ライ シン と同一機構 で リボ ソ
ー ム を不 活 性 化 す る こ と を つ
き と め る こ と が で き た18)。
RNA N-グ
現 在,そ
リ コ シ ダ ー ゼ は,
の 蛋 白 質 構 造 か ら2
種 に 分 類 さ れ,ラ
イ シ ンや ベ
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ロ毒 素 の よ うなAB毒
素 をII
型 リボ ソ ー ム 不 活 性 化 蛋 白質
(Type
II
ribosome
inactivating
II),A鎖
protein;RIP
の み の も の をRIP
I型(B鎖
を 欠 くた め 動 物 に
対 す る毒 性 は な い)と
て い る 。 ま た,植
よばれ
物 由来 の一
群 の 抗 ウ イ ル ス 蛋 白質 の 正 体
もRIPI型
図3RNA N-グ
で あ る こ とや,コ
ム ギ胚 芽 や カ ボ チ ャ果 肉 な ど,
RIP
リコシ ダー ゼ の触 媒 す る反応
酵 素 活 性 の測 定 は,リ
ボ ソー ム か ら遊 離 す るア デニ ン量,も
リン処 理 に よ っ て生 ず る2本
のRNA鎖
し くは抽 出 したrRNAを
を ゲ ル 電 気 泳 動 で 分 離 後,デ
酸 性 下 アニ
ン シ トメ トリ ック に定 量:す。
I型 は植 物 に は ほ とん ど
普遍 的 に存在 してい る こ とも
明 らか に な っ て きた19)。
tein,α-momorcharin,geloninの
VI.RNA N-グ
物 の ア デニ ンや そ の ア ナ ロ グで あ るformycin
た 。 最 近Renら
リ コシ ダー ゼ の触 媒 機 構
phosphate(FMP)と
筆 者 らは,ラ イ シ ンA鎖
をモ デ ル として,28SrRNA
の毒 素 ドメ イ ン を模 した 合 成RNAオ
RNA
N-グ
リゴマー を利 用 し,
リ コ シ ダ ー ゼ の 基 質 特 異 性 を調 べ た 。 種 々
し(図4b),触
方,ベ
結 晶構 造 が解 か れ
は,α-momorcharinお
よ び,反 応 産
5'-mono-
の 共 結 晶 構 造 を 解 くこ と に成 功
媒 反 応 モ デ ル を 提 出 し た(図5)22)。
ロ毒 素 に っ い て は,ラ イ シ ンA鎖
の結 晶構造 の
知 見 を基 に 作 製 し た変 異 体 毒 素 の活 性 測 定 結 果 か ら,
の ミ ュ ー タ ン トオ リゴ マ ー を用 い た 実 験 か ら,ラ イ シ
Caoら
ンA鎖
活 性 に 関 与 し て い る こ と を示 し て い る23)。これ らA鎖
はGAGA構
造 を 認 識 し て い る こ と20)が明 ら か
に な っ た 。 そ の後,NMRに
よ る解 析 か ら,こ の4ヌ ク
一
は,Tyr77,Glu161,Arg170が
の 基 礎 研 究 は,前 述 し たB鎖
ベ ロ毒 素 の触 媒
構 造 の 研 究 と と もに,ベ
レオ チ ドが 複 雑 な ル ー プ を形 成 して い る こ とや,G19部
ロ毒 素 ワ ク チ ン の 開 発 に 向 け て 重 要 な 知 見 を提 供 す る
で 鎖 の よ じ れ 構 造 を と る な ど,水 溶 液 中 で は複 雑 な 立
も の と期 待 さ れ る 。 他 方,本
体 構 造 を と る こ とが わ か っ た(図4a)21)。
の 詳 細 に 関 し て は,依 然 不 明 で あ る 。
N-グ
リ コ シダ ー ゼ に つ い て は世 界 中 で種 々 の植 物 由 来
のRIPに
RIP
つ い てX線
IIと し て は,ラ
A鎖,ま
656
一 方,RNA
酵 素 の基 質 構 造 認 識 機 構
たRIP
結 晶 解 析 が 精 力 的 に 進 め ら れ,
イ シ ン,ラ イ シ ンA鎖,ア
Iと して は,pokeweed
VII.毒
素 ドメイ ンの機 能
ブ リン
antiviral pro-
T.R.Cechら
に よ る第2の
生 体 触 媒 で あ る リボ ザ イ
病原性大腸菌O157の 毒素
49
らに よ る 化 学 修 飾 剤 を 用 い た
rRNAの
機 能 構 造 の 研 究 は,
リボ ソ ー ム の 翻 訳 機 能 の 主 役
は蛋 白質 で はな く,RNAで
あ
ろ う とい う考 え 方 を 強 く支 持
す るもので あっ た24)。それで は,
毒 素 ドメ イ ン構 造 は ど の よ う
な 役 割 を して い る の で あ ろ う
か?1個
のア デ ニ ンの リボ ソ
ー ム か ら の 遊 離 が 日本 中 を ほ
と ん どパ ニ ッ ク に さ せ る の だ
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か ら,ラ イ シ ンや ベ ロ毒 素 が
指 摘 し て くれ た こ の ドメ イ ン
図4
毒 素 ドメ イ ン とRNA N-グ
(a)NMRに
リ コシ ダー ゼ の立 体 構造 図
よ る毒 素 ドメ イ ン の溶 液 中構 造 。29merの
はリボー ス,そ の うち●
はC2-endo,○
合 成RNAの
は リ ン酸 基 で,そ
リン酸 緩 衝 液 中 の構 造 。 ○
の う ち ● はヘ リッ ク ス形 成 に 関 与
しない もの を示 す。 非 ワ トソ ン-ク リッ ク塩 基 対 をア ス テ リス ク,塩 基 の ス タ ッキ ング を太バ ー
で,ま た交差 バ ーはA12/A20とUl1/G19の
自 己会 合 を示 す。 矢 印 は,ラ イ シ ン,ベロ 毒 素 な ど,
RNA N-グ リコシ ダ ー ゼ の 作 用 部 位 を,▲,■
は そ れ ぞ れEF-Tu,EF-Gの
リボ ソー ムへ の 結 合
の ペ プ チ ド鎖 伸 長 反 応 にお け
る役 割 の 重 要 性 は 容 易 に推 察
され るで あ ろ う。Nollerら
は,
大 腸 菌 リボ ソ ー ム を 用 い た フ
によって フ ッ トプ リン ト(保護)さ れ る塩 基 を大 腸 菌 リボ ソ ー ム の 実 験 結 果 を も と に示 した 。 ナ
ッ トプ リ ン ト法 に よ る 解 析 か
ンバー は合 成 オ リ ゴマ ー の5'末 端 か らの残 基 数 で,A15が28SrRNAのA4324に
ら,毒 素 ドメ イ ン 部 が ペ プ チ
α-momorcharinのX線
相 当す る21)。(b)
結 晶 構 造 。 基 質 ア ナ ロ グ との 共 結 晶 構 造 の リボ ン図 。9個 の α ヘ リッ ク
スと,10個 の β シー ト構 造 を も つ。 図 中 の 矢 じ りは 活 性 中 心 溝 のFMPを
指 し示 す22)。
ド鎖 伸 長 因 子 の結 合 部 位 と な
っ て い る こ と を 示 し た(図4
a)25)。 筆 者 ら は,毒
ムの発 見(1982年)は,そ
れ ま で のRNAに
え方 を大 き く変 え て い た 。 そ し て,リ
おいて も,筆 者 らのRNA N-グ
図5
対 す る考
ボ ソーム分 野 に
リコ シ ダー ゼ やNoller
素 ドメ イ
ンが ペ プ チ ド鎖 伸 長 反 応 を コ ン トロール す るRNAス
イ
ッ チ の 役 割 を 担 う も の との 作 業 仮 説 の も と に研 究 を進
め て い る15)。さ らに,最 近Nollerら
は,脱 蛋 白質 処 理
触媒 機構 の 模 式 図
α-momorcharinのArg163とIle71は
る。この中 間体 はGlu160の
それ ぞれ,ア
デ ニ ン のN3,N1と
負 電 荷 に よっ て安 定 化 され,C1'に
水 素 結 合 を 形 成 し,中 間 体 の オキ ソ カル ボ ニ ウム イ オ ンが 生 成 す
水 分 子(OH。
また はOH2)が
付 加 す る こ と によ って,グ
リコシ ド結 合(N9-
Cl')の 加水 分 解 反 応 が 完 了 す る22)。
657
50
蛋 白質
核酸
酵素
Vol. 42
した 高 度 好 熱 菌23SrRNA(リ
No.4(1997)
ボ ソ ー ム 蛋 白質 が 一 部
残 存 し て い る)が ペ プ チ ド合 成 触 媒 能 を保 持 して い る
こ と を 見 い だ し26),新 田 ら はin vitro転
製 し た23S
rRNA(大
腸 菌)が
写 に よって調
ペ プ チ ド合 成 を触 媒 す
る こ と を証 明27)す る な ど,RNAに
関 す るホ ッ トな研 究
ヒ ト保 菌 者 間 に も発 症 に対 す る感 受 性 に差 が み られ る
が,そ
の 実 体 に つ い て も現 在 の と こ ろ ほ とん ど不 明 で
あ る 。 不 幸 に して,ベ
VTが
ロ 毒 素 産 生 菌 が ヒ トに 感 染 し,
細 胞 内 へ侵 入 して か らで は,手 の 打 ち よ うが な い。
昨 年 度 の 集 団 発 症 に お け る感 染 経 路 が 明 らか に な っ て
成 果 が続 々 と発 表 さ れ て きて お り,リ ボ ソ ー ム 研 究 は
い な い こ とか ら,再
び この ような事件 が起 こ らない と
新 た な 局 面 を迎 え よ う と して い る。
は い い きれ な い 状 況 に あ る 。 感 染 経 路 を特 定 し,こ れ
を遮 断 す る こ と に よ っ て,感
急 務 で あ るが,同
お わ りに
痢,腸
大 腸 菌O157:H7型
毒 症 症 候 群(Hus)に
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菌 の 感 染 症 状 は,下
管 か らの 出 血 に続 い て 約1週
時 に,基 礎 研 究 の充 実 ・推 進 が 強 く
望 まれ る。
間 後 に は溶 血 性 尿
至 る 経 過 を と る こ とが 多 い。 こ れ
を現 在 ま で に 得 られ て い る医 学 的 知 見 とベ ロ 毒 素 の細
文
献
胞 毒 素 作 用 と を考 え あ わ せ る と,た
1)光
岡 知 足:腸
2)野
田 公 俊 ・竹 田 美 文:医
と え ば,以 下 の よ
う な機 作 を想 定 す る こ とが で きる。(1)O157の
増 殖 によ
っ て 腸 内 にベ ロ毒 素 が 産 生 さ れ る,(2)毒 素 が 何 らか の
4)山
不 活 性 化 す る こ と に よ っ て,同 組 織 を 破 壊 す る[→
5)
血],(3)腎
と同 時 に,全 身 の血 管(と
臓 細 胞 の 破 壊[→
くに毛 細 血 管)に
腸
腎 不 全]
傷 害 を与
え[→ 溶 血(赤 血 球 の 微 小 問 隙 通 過 に よ る物 理 的 破 壊],
そ して,(4)溶
血 性 尿 毒 症 の 発 症 へ と至 る,で
る ほ ど,い
6)
7)
あ る。 こ
の よ う に 本 疾 患 は 医 学 者 以 外 の考 察 を 容 れ る余 地 の あ
8)
まだ 不 明 の 点 が 多 い感 染 症 な の で あ る。 ど
の よ う な 発 症 機 作 で あ っ て も,ベ
の 原 因 物 質 で あ り,そ の 作 用 が1分
ロ毒 素 が こ の 感 染 症
9)
子 の脱 ア デ ニ ン を
伴 う リボ ソ ー ム の 不 活 性 化 に あ る こ と は 間 違 い の な い
事 実 で あ ろ う。
10)遠
ベ ロ 毒 素 産 生 菌 の ヒ トへ の 感 染 経 路 と汚 染 源 に つ い
て も,発 見 さ れ て か ら18年
11)
を経 た 今 日で も不 明 の と こ
ろ が 多 い 。 米 国 や わ が 国 に お け る調 査 結 果 か ら,健 康
な ウ シ の 一 部 に は腸 内 に ベ ロ毒 素 産 生 菌 を保 菌 し て お
12)
り,汚 染 源 と な っ て い る 可 能 性 が 高 い 。 そ れ で は,な
ぜ,こ
の菌 が ウ シ に は病 原 性 を 示 さ な い ので あ ろ うか?
VT遺
伝 子 が フ ァー ジ に コ ー ド され て い る こ とか ら,ウ
シ の腸 内 に お い て は菌 体 内 の フ ァ ー ジ は プ ロ フ ァー ジ
と し て 存 在 し て い る が,ひ
とた び ヒ トに 感 染 す る と活
性 化 さ れ フ ァ ー ジ の増 殖 に 伴 っ て,毒
素 を産 生 す る よ
う に な る ので は な い か と推 察 して い る研 究 者 もい る。 そ
の他 の 可 能 性 と し て は,受 容 体 構 造 の違 い か らB鎖
が
ウ シ細 胞 に 結 合 し な い か,あ
る い はす で に毒 素 に 対 す
る抗 体 を も っ て い る こ と,な
ど も考 え られ る。 さ らに,
658
内 細 菌 学,pp.1-11,朝
編),1巻,pp.282-300,菜
3)湯
経 路 で 血 管 内 に移 行 し,血 管 内 皮 細 胞 の リボ ソ ー ム を
管 か らの 下 痢,出
染 を予 防 す る疫 学 研 究 が
13)
14)
15)遠
16)
通 堂 隆:日
倉 書 店(1990)
学 細 菌 学(中
野 ・吉 川 ・竹 田
根 出 版(1986)
本 細 菌 学 会 誌,44,105-115(1989)
崎 伸 二 ・竹 田 美 文:現
代 化 学,9,38-42(1996)
Olsnes, S., Reisbig, R., Eiklid, K.: J. Biol. Chem.,
256, 8732-8738 (1981)
Stein, P. E., Boodhoo, A., Tyrrell, G. J., Brunton,
J. L., Read, R. J. : Nature, 355, 748-750 (1992)
Scotland, S. M., Smith, H. R., Rowe, B. : Lancet,
ii, 885-886 (1985)
Strockbine, N. A., Marques, L. R. M., Newland, J.
W., Smith, H. W., Holmes, R. K., O'Brien, A. D.
Infect. Immun., 53, 135-140 (1986)
Takao, T., Tanabe, T., Hong, Y.-M., Shimonishi,
Y., Kurazono, H., Yutsudo, T., Sasakawa, C.,
Yoshikawa, M., Takeda, Y. : Micro. Phog., 5,357369 (1988)
藤 弥 重 太:現
代 化 学,11,38-44(1992)
Olsnes, S., Sandvig, K. : Immunotoxins (ed. Frankel, A.), pp. 39-73, Kluwer Academic Publishers,
Boston (1988)
Furutani, M., Kashiwagi, K., Ito, K., Endo, Y.,
Igarashi, K.: Arch. Biochem. Biophys., 293, 140146 (1992)
Pellizani, A., Pang, H., Linwood, C. A. : Biochemistry, 31, 1363-1370 (1992)
Olsnes, S., Refsnes, K., Pihl, A. : Nature, 249, 627631 (1974)
藤 弥 重 太:生
化 学,61,1209-1223(1989)
Endo, Y., Mitsui, K., Motizuki, M., Tsurugi, K. :
J. Biol. Chem., 262, 5908-5912 (1987)
17) Endo, Y., Tsurugi, K.: J. Biol. Chem., 262, 81288130 (1987)
18) Endo, Y., Tsurugi, K., Yutsudo, T., Takeda, Y.,
Ogasawara, T., Igarashi, K. : Eur. J. Biochem.,
病原性大腸菌O157の 毒素
24)
25)
26)
27)新
nol., 38, 441-447 (1994)
Noller, H. F. : The RNA World (ed. Gesteland, R.
F., Atkins, J. F.), pp. 137-156, Cold Spring Harbor
Laboratory Press, New York (1993)
Moazed, D., Robertson, J. M., Noller, H. F.
Nature, 334, 362-364 (1988)
Noller, H. F., Hoffarth, V., Zimniak, L. : Science,
256, 1416-1419 (1992)
田 至 ・上 田 卓 也 ・渡 辺 公 綱:生
化 学,68,547
(1996)
Database Center for Life Science Online Service
171,45-50 (1988)
19) Barbieri, L., Battelli, M. G., Stirpe, F. : Biochim.
Biophys. Acta, 1154, 237-282 (1993)
20) Wool, I. G., Gluck, A., Endo, Y.: TIBS, 17, 266269 (1992)
21) Szewczak, A. A., Moore, P. B.: J. Mol. Biol., 247,
81-98 (1995)
22) Ren, J., Wang, Y., Dong, Y., Stuart, D. I. : Structure, 2, 7-16 (1994)
23) Cao, C., Kurazono, H., Yamasaki, S., Kashiwagi,
K., Igarashi, K., Takeda, Y. : Microbiol. Immu-
51
659