Title 蛋白質のフォールディング反応 Author(s) 後藤, 祐児

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Author(s)
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Issue Date
蛋白質のフォールディング反応
後藤, 祐児
大阪大学低温センターだより. 104 P.1-P.9
1998-10
Text Version publisher
URL
http://hdl.handle.net/11094/5068
DOI
Rights
Osaka University
研 究 ノー ト
タ ンパ ク質 の フ ォ ール デ ィ ン グ反 応
蛋
1.は
じめ に
タ ン パ ク質 のX線
結 晶 構 造 を見 る と 「よ くも ポ リペ プ チ ド鎖 が もつ れ る こ と も な く、 見 事 な 立 体 構 造
に フ ォ ー ル デ ィ ソ グ して い る もの だ 」 と 感 心 す る(図1)。
teinFolding)は
折 り紙(PaperFolding)に
タ ソ パ ク 質 の フ ォ ー ル デ ィ ン グ反 応(Pr(y
例 え ら れ る 。 共 に 、 広 が っ た 自 由度 の 高 い 状 態 か ら 、 コ ン
パ ク トで ユ ニ ー ク な 立 体 構 造 が構 築 され る。 しか も、 小 さ な 球 状 タ ン パ ク質 で あ れ ば 、 この 過 程 は 可 逆
で あ る 。 フ ォ ー ル デ ィ ソ グ反 応 に 必 要 な 情 報 は 、 タ ソ パ ク質 の ア ミ ノ酸 配 列 に 全 て 含 ま れ て い る。 折 り
紙 は"ひ
との で
に よ っ て 折 ら れ る が 、 タ ン パ ク質 折 り紙 は"ひ
と りで"に
折 られ る 。 そ の し くみ は い
ま だ 、 な ぞ で あ る。 タ ンパ ク質 の 立 体 構 造 や 機 能 を理 解 す る た め は 、 タ ンパ ク質 折 り紙 の な ぞ を 解 くこ
と が 必 要 で あ る 。 私 た ち は 、 牛 乳 に 多 く含 ま れ る β ラ ク ト グ ロ プ リ ン を 材 料 と して 、 フ ォ ー ル デ ィ ン グ
反応 のなぞ解 きを試 み てい る。
カルボ キシル末端
斗.
β一シ ー ト
〆
＼
嵐ろ
.を
舎
ア ミノ末端
α一
ヘ リ ック ス
図1:β
ラ ク ト グ ロブ リソ の 立 体 構 造 の 模 式 図 。 左 上 は 空 間 充 填 モ デ ル 、 右 上 は 針 金 モ デ ル 、 下 は リ ボ
ソモ デ ル で 表 示 した も の 。 ネ イ テ ィ ブ構 造 で は 、 ポ リペ プ チ ド鎖 が最 密 充 填 に 匹 敵 す る コ ソ パ ク
トさ に フ ォ ー ル デ ィ ン グ して い る。 リボ ン モ デ ル で は ポ リペ プ チ ド鎖 が フ ォ ー ル デ ィ ン グす る パ
ター ン をみ る こ と が で ぎ る。 フ ォ ー ル デ ィ ン グ の 代 表 的 な パ タ ー ン に は α ヘ リ ッ ク ス(ペ
鎖 が らせ ん に折 れ た た まれ る)と
プチ ド
β シ ー ト(ペ プ チ ド鎖 が 平 行 に な る よ う に折 れ た た まれ る)が
あ る が 、 β ラ ク トグ ロ ブ リ ンは 主 に β シー トか ら構 成 さ れ る 。
2.フ
ォ ー ル デ ィ ン グ 反 応 と は?(1一 助
蛋 白質 の フ ォ ー ル デ ィ ン グ反 応 とは 、 多 数 の ア ミノ酸 が 一 次 元 的 に 連 な っ た ポ リペ プ チ ド鎖 が 、 機 能
的 な立 体 構 造(ネ
イ テ ィ ブ構 造)を
DNA配
列(1次
形 成 す る過 程 で あ る。 遺 伝 子 情 報 発 現 は 次 の よ う に表 わ され る。
元)→RNA配
ア ミ ノ酸 配 列(1次
元)→
列(1次
元)→
タ ソ パ ク質 立 体 構 造(3次
一1一
元)
フ ォ ー ル デ ィ ソ グ以 前 の 段 階 は 、1対1の
情 報 伝 達 で あ る の に 対 して 、 フ ォ ー ル デ イ ソ グ反 応 で は 、 ほ
と ん ど 無 限 の 可 能 性 の 中 か ら特 定 の 立 体 構 造 が 選 択 さ れ る 。 そ こで 、 フ ォ ー ル デ ィ ン グ反 応 は 、 遺 伝 子
情 報 発 現 の 最 終 段 階 で あ る と 共 に 、 遺 伝 子 情 報 発 現 の 中 で 最 も複 雑 な 過 程 で あ る と い わ れ る。
タ ン パ ク 質 フ ォ ー ル デ ィ ソ グ 反 応 の 複:雑 さ を 指 摘 す る も の に 、1960年
"L
evinthalの
パ ラ ド ッ ク ス"が
代 後半 に提 唱 された
あ る(4)。1972年 に ノ ー ベ ル 化 学 賞 を 授 賞 したAnfinsenの
実 験 に よ る と、
フ ォ ー ル デ ィ ソ グ は 熱 力 学 的 に コ ソ トロ ー ル され た 反 応 で あ る 。 す な わ ち 、 タ ソ パ ク質 の ネ イ テ ィ ブ構
造 は ア ミ ノ酸 配 列 に よ って 決 ま る 自由 エ ネ ル ギ ー の 最 も低 い 状 態 で あ る 。 こ こ で 、100残 基 か ら な る タ
ソ パ ク質 を 考 え る。1残
基 あ た りの 自 由 度 を少 な く見 積 も って3と
ン フ ォ メ ー シ ョ ン の 数 は310G=5x1047以
す る と 、 タ ンパ ク質 全 体 の 可 能 な コ
上 と な る 。 タ ソパ ク質 が 全 て の コ ソ フ ォ メ ー シ ョ ン を ラ ン ダ
ム に検 索 して ネ イ テ ィブ 構 造 に フ ォ ー ル デ ィ ン グ す る と仮 定 し、1つ
の コ ソ フ ォ メ ー シ ョソ の 検 索 時 間
を10-13秒 とす る。 この と き フ ォ ー ル デ ィ ソ グ に 要 す る 時 間 は 、5x1酬
秒=1.6x1び
年 で あ る。 これで は
タ ン パ ク 質 は 永 久 に フ ォー ル デ ィ ン グで き な い 。 そ こ で 、 フ ォ ー ル デ ィ ソ グは 速 度 論 的 に も コ ン トロー
ル され て い る と考 え ら れ る。 別 の い い 方 を す る と 、 フ ォ ー ル デ ィ ン グ に は 、 無 駄 な コ ン フ ォ メ ー シ ョ ソ
を 回 避 し な が ら ネ イ テ ィ ブ 構 造 に 至 る た め の"経
路(Pathway)"が
あ る に違 い な い 。 熱 力 学 的 コ ソ ト
ロー ル は 経 路 に 依 存 しな い の に対 し て 、 速 度 論 的 コ ソ ト ロー ル は 経 路 依 存 を 暗 示 す る。 「特 定 の 経 路 を
通 っ て 、 か つ 熱 力 学 的 に 最 も安 定 な 状 態 に 到 達 す る こ と は 可 能 で あ ろ う か?」
と い う の が 、Levinthal
の問題 提起 で あ った。
Levinthalは
こ の 問 題 提 起 に よ っ て 、 フ ォ ー ル デ ィ ソ グ経 路 の 存 在 す る こ と を 示 唆 した 。 多 くの 研 究
者 が影 響 を 受 け 、 フ ォー ル デ ィ ン グの 中 間 状 態 を 明 らか に す る こ と に よ っ て 、 フ ォ ー ル デ ィ ソ グ の 経 路
を 理 解 し よ う と試 み て き た 。 あ た か も折 り紙 の 途 中 を 知 る こ とが 、 折 り紙 の 折 り か た を 理 解 す る 近 道 で
あ る か の よ う に。
3.フ
ォー ルデ ィンゲ 研 究 の新 た な展 開
フ ォ ー ル デ ィ ソ グ反 応 を 理 解 す る こ とは 、 タ ンパ ク質 を理 解 す る基 盤 と な る重 要 な課 題 で あ る こ と は
間 違 い な い 。 た だ 、 この よ うな 意 義 付 け に基 づ く従 来 の 研 究 は 、 物 理 化 学 的 要 素 の 強 い 基 礎 的 研 究 とみ
ら れ が ち で あ6た
。 と こ ろが 今 日、 フ ォ ー ル デ ィ ン グ研 究 に 対 す る認 識 に 変 革 が も た ら さ れ て い る(1)。
そ れ は 以 下 の 発 見 や 進 展 に よ る。
(a)遺
伝 子 操 作 や 化 学 合 成 に よ って タ ン パ ク質 を 人 為 的 に 作 製 す る こ と が 可 能 と な っ た 。 しか し、 タ
ンパ ク質 配 列 は 完 成 して も、 タ ン パ ク質 立 体 構 造 の 作 製 に て こず る場 合 が しば しば で あ る。 フ ォ ー
ル デ ィ ソ グ反 応 を 理 解 す る こ と は 、 現 実 的 な 重 要 課 題 と な っ た 。
(b)生
体 高 分 子 の 構 造 と機 能 に 基 づ き 、 生 命 現 象 を理 解 し よ う と す る 構 造 生 物 学 が 台 頭 したbそ
の中
心 に タ ソパ ク質 が あ る。 タ ンパ ク質 の 理 解 に は 、 フ ォー ル デ ィ ン グ反 応 の 理 解 が必 須 で あ る。 フ ォー
ル デ ィング反応 を研 究す ることの 基礎 的重 要性 が再 認識 された。
(c)細
胞 内 に は 分 子 シ ャペ ロ ソ と 呼 ば れ る フ ォ ー ル デ ィ ン グ反 応 を 助 け る タ ソ パ ク質 の 存 在 す る こ と
が 明 らか と な っ た ⑤。 これ に 伴 い 細 胞 内 で の フ ォ ー ル デ ィ ソ グ 反 応 が 実 際 の 研 究 対 象 と な り、 よ
り生 物 学 的 な 分 野 ま で 研 究 が 広 が っ た6
一2一
(d)こ
れ ら に 加 え 、 後 で 述 べ る よ う に 狂 牛 病 に お け る プ リオ ソ蛋 白 質 の構 造 転 移 や ア ミ ロ イ ド形 成 で
注 目 さ れ て い る よ うに 、 病 気 と フ ォ ー ル デ ィ ン グ反 応 の 密 接 な 関 わ りが 明 ら か に な.って き た ⑥。
従 来 か ら の 認 識 が 高 ま る と共 に 、 生 物 学 的 な意 義 が 加 わ っ た と い っ て よ い。
4.フ
ォー ルデ ィンゲ 反 応 の モデ ル
フ 才 一 ル デ ィ ソ グ 反 応 の モ デ ル を い くつ か 述 べ よ う。 最 も 代 表 的 な も の が 、
.枠 組 み モ デ ル(frameworkmodel)で
あ る。 枠 組 み モ デ ル で は 、Levintha1の
パ ラ ドッ ク ス
.に答 え る よ うに ヤ あ る経 路 を 通 っ
て 立 体 構 造 が 段 階 的 に 形 成 さ れ る。 「ツ.ルに は 決 ま っ た 折 り方 が あ る」 と い っ た モ デ ル で あ る。 まず 、.
2次 構 造(・
ヘ リ ・ ク ス ・ β シー ト)の 枠 組 み カ・で き て ・ 次 に3次
が 完 成 す る。 フ ォ 」 ノ
レデ ィ ン グ反 応 で 最 も難 しい の は3次
構 造(側
鎖 の特 異的 な…
.キン グ) .
構 造 の 形 成 と考 え 、 そ の 手 前 に あ る 中 間 体 は
モ ル テ ン ・グ ロ ビ ュー ル 状 態*と 呼 ば れ る。 こ の よ うな ラ ォ ー ル デ ィ ソ グ を す る タ ソ パ ク質 と して ア ポ1
ミオ グ ロ ビ ソが あ げ られ る(図2)。
F
H
G→
A
→
D
→
H
遅い
lB G
速い
'.C
A
→
11
1「日 田oロ
図2ア
ポ ミオ グ ロ.ビンの フ ォ ー ル デ ィ ン グ 。.ミオ グ ロ ビ ンは153ア
ミ ノ 酸 残 基 か ら構 成 さ れ 、 筋 肉 な
ど の組 織 で 酸 素 を 運 ぶ タ ンパ ク質 で あ る。 ミオ グ ロ ζ ン はAヵ 疹Hの8本
の α ヘ リッ ク ス か ら構
成 さ れ る。 ミオ グ ロ ビ ン か ら ヘ ム を 除 くと 、 ヘ リ ッ ク スの ほ と ん ど は ネ イ テ ィ ブ と 同 じだ が 、 安
定 性 の 減 少 した ア ポ ミオ グ ロ ビ ソ に な る。 ア ポ ミオ グ ロ ビ ン は 、 フ ォ ー ル デ ィ ソ グ反 応 が 詳 細 に
研 究 さ れ た 代 表 的 な タ ン パ ク 質 で あ り、 ネ イ テ ィ ブ構 造 が 段 階 的 に で き あ が る こ と が わ か っ て い
る。 図 に 示 した 中 間 状 態 はA、.G、Hの
ヘ リ.ッ ク ス を もつ 。 ア ミ ノ酸 側 鎖 の パ ッ キ ン グ な ど周 辺
他 方 、 小 さ な タ ンパ ク質 の フ ォ「 ル デ ィ ン グ研 究 か ら支 持 さ れ て い る の が 、 「フ ォrル
デ ィソグ妹 さ
ま ざ ま な経 路 で 起 き る」 と い.うモ デ ル で あ る。 ジ グ ソー パ ズ ル を思 ㌧
い 浮 か べ る とわ か りや す い 。 ジ グ ソ「
一3一
パ ズ ル を 解 くの に 、 特 定 の経 路 を と る必 要 は な い 。 も し あ る とす れ は 、 「あ る中 心 的 な か た ち が 作 りや
す い 」 とい う程 度 の 選 択 性 で 、 必 ず し もそ うで あ る 必 要 は な い 。
近 年 、 い くつ か の 小 さ な タ ソパ ク質 の フ ォ ー ル デ ィ ソ グ反 応 は 、 中 間 状 態 を 形 成 す る こ と な く、 ミ リ
秒 の 時 間 で 極 め て 迅 速 に進 行 す る こ と が わ か っ て きた 。 これ ら の 結 果 はLevinthalの
パ ラ ドックス とは
反 対 に 、 タ ン パ ク質 の フ ォ ー ル デ ィ ン グ反 応 は 本 来 、 相 当 に 速 い 反 応 で あ り、 ま た 多 数 の経 路 を 含 む こ
と を示 唆 して い る。 ジ グ ソー パ ズ ル モ デ ル は フ ォ ー ル デ ィ ン グ フ ァネ ル(foldingfunne1)と
い う、 よ り
」 般 的 な概 念 に 発 展 して い る ω
。 そ して 「中 間 状 態 は フ ォ ー ル デ ィ ン グ 反 応 を加 速 す るた め に 存 在 す る
の で は な く、 む し ろ フ ォ ー ル デ ィ ン グが 何 ら か の 理 由 に よ り迅 速 に起 き な い 場 合 に み え る の で は な い か 」
と 考 え る研 究 者 が 増 え て い る 。
5.β
ラ ク トグ ロ ブ り ン
β ラ ク トグ ロ ブ リ ンは162残 基 か ら構 成 さ れ 、 主 に β シ ー ト構 造 を と る タ ソ パ ク質 で あ る(図1)。
β ラ ク トグ ロ ブ リ ンは 牛 乳 の 主 要 成 分 で あ り、1リ
ッ トル の牛 乳 に 数 グ ラ ム も含 まれ る。 栄 養 素 と して
は 重 要 で あ る。 と こ ろ が 意 外 な こ と に ヒ ト乳 に は 全 く含 まれ ず 、 新 生 児 の 牛 乳 ア レル ギ ー の 原 因 と な る 。
"β ラ ク トグ ロ ブ リ ン除 去"を
ア ピー ル した 新 生 児 用 粉 ミル ク も 売 ら れ て い る。
私 た ち は 、 β ラ ク トグ ロ ブ リ ン に 、 ト リ フル オ ロエ タ ノ ー ル な ど の ア ル コ ー ル を 加 え る と 、 極 め て 容
易 に αヘ リ ック ス構 造 に 変 わ る こ と を 見 い 出 した ⑦。 こ れ よ り、 β ラ ク トグ ロ ブ リ ソ は 大 部 分 β シ ー ト
か ら な る タ ソ パ ク質 で あ る で あ る に も 関 わ らず 、 極 め て 高 い αヘ リ ッ ク ス形 成 傾 向 を 隠 し も っ て い る こ
とが わ か っ た 。 これ を 裏 付 け る証 拠 と して 、 従 来 の 二 次 構 造 予 測 プ ロ グ ラ ム を 用 い る と 、 ほ とん ど の 領
域 が αヘ リ ッ ク ス と"間 違 っ た 予 測"を
さ れ て し ま う。 こ れ ら は 他 の タ ソ パ ク質 で は 見 られ な い β ラ ク
トグ ロ プ リ ソ に特 徴 的 な 現 象 で あ る。
タ ンパ ク質 の ネ イ テ ィブ 構 造 を安 定 化 す る 力 は 、 一 次 配 列 上 近 くの ア ミ ノ酸 間 の 相 互 作 用(局
互 作 用)と
離 れ た ア ミ ノ酸 間 の 相 互 作 用(非
局 所 的 相 互 作 用)に
所 的相
分 け る ことがで きる。 ネイ テ ィブ構造
は これ らの 総 和 に よ っ て 決 ま る 全 体 的 な 自 由 エ ネ ル ギ ー 最 小 状 態 で あ る。 非 局 所 的 相 互 作 用 は 個 々 の タ
ンパ ク 質 で 大 き く異 な る こ と か ら 、 二 次 構 造 予 測 に 取 り入 れ る こ と は 難 しい 。 二 次 構 造 予 測 プ ロ グ ラ ム
の 成 績 が 上 が ら な い原 因 は こ こに あ る。 ア ル コー ル は 疎 水 的 溶 媒 で あ り、 タ ン パ ク質 の 疎 水 的 相 互 作 用
(非 局 所 的 相 互 作 用 に 含 ま れ る)を 弱 め る 。 ア ル コー ル 添 加 や 二 次 構 造 予 測 に よ り"β
ソ び っ く り箱"の 鍵 を開 け る と(非 局 所 的 相 互 作 用 を 弱 め る と)、
βシ ー トの 奥 に隠 され て い た αヘ リ ッ
ク スが 飛 び 出 して き た の で あ る 。 β ラ ク トグ ロブ リ ン は 、 熱 力 学 的 に 最 も安 定 な構 造(β
局 所 的 相 互 作 用 が も た ら す安 定 構 造(α
ヘ リ ッ ク ス)と
ラ ク トグ ロ ブ リ
シ ー ト)が 、
大 き くか け 離 れ て い るユ ニ ー ク な 例 で あ る(図
3)。
で は 、 β ラ ク トグ ロ ブ リンの フ ォー ル デ ィ ン グ反 応 は ど の よ うに 進 行 す るの で あ ろ う か?フ
ン グ反 応 の 速 度 論 的 研 究 が 行 わ れ た ⑧。 そ の 結 果 、 極 め て 速 い 時 間(ミ
む 中 間 状 態 の 形 成 さ れ る こ と が 明 らか と な っ た(図3)。
リ秒 以 内)に
ォール デ ィ
αヘ リ ッ ク ス を含
この 中 間 体 の αヘ リ ッ ク ス 含 量 は ネ イ テ ィ ブ
構 造 よ り多 か っ た 。 す な わ ち 、 フ ォー ル デ ィ ソ グ反 応 の 初 期 に 、 過 剰 の αヘ リ ッ ク ス が 形 成 され 、 そ の
後 約 数 分 で 最 終 的 な β シ ー ト構 造 に 転 換 して い っ た 。 この 結 果 は 、 β ラ ク トグ ロ ブ リ ソ の 高 い α ヘ リ ッ
一4一
ク ス 形 成 傾 向 と よ くあ っ て い る。 しか し、 ネ イ テ ィブ 構 造 が 形 成 さ れ る 以 前 に 、 ネ イ テ ィ ブ構 造 に は な
い αヘ リ ッ ク ス が 形 成 さ れ る こ と は 、枠 組 み モ デ ル や ジ グ ソー パ ズ ル モ デ ル とは 対 照 的 で あ る 。
β シー ト形 成 に お い て αヘ リ ッ ク ス 中 間 体 の 果 た す 役 割 は 、 何 で あ ろ うか 。 も し、 中 間 状 態 の α ヘ リ ッ
ク ス が 一 旦 ほ ど け て 再 び ラ ン ダ ム コ イ ル に な り、 次 に β シー トが 形 成 され る と した ら 、 大 変 都 合 が 悪 い 。
この よ うな み か け の 中 間 状 態 は"折
れ た た み 経 路 か ら外 れ た 中 間 状 態"と
呼 ばれ る。他 方 、 αヘ リック
ス 中 間 状 態 の 形 成 に よ り、 タ ンパ ク質 分 子 が コ ソ パ ク トに な り、 そ の 結 果 複 雑 な β シー ト構 造 の形 成 が
促 進 さ れ る こ と も考 え られ る。 α ヘ リ ッ ク ス 中 間 状 態 は 折 れ た た み 反 応 全 体 の 進 行 を 加 速 して い な い に
して も、 β ラ ク トグ ロ ブ リ ン の フ ォ ー ル デ ィ ン グ反 応 に は 不 可 欠 な もの で あ る と 考 え て い る。
速い
→
,、.遅
い
.琴.
⇒
一
一
r一 ρ-冨、
比
●●
b
→
畜/
9レ
冨
非 局所 的
局所 的
相 互作 用
相互作 用
自由エネル
ギー最小
図3:β
ラ ク トグ ロ ブ リ ン の フ ォ ー ル デ ィ ソ グ反 応 。 α ヘ リ ッ クス を 含 む 中 間 状 態 を経 て 、 β シ ー ト構
造 が 完 成 す る 。 近 くの 残 基 間 の 相 互 作 用(局
所 的 相 互 作 用)で
の 残 基 間 の 相 互 作 用(非
よ っ て び っ く り箱 の ふ た を しめ る と、 αヘ リ ッ ク ス
局 所 的 相 互 作 用)に
び っ く り箱 の 材 料 を つ く る。 遠 く
は β シー トに な っ て 箱 の 中 に 収 ま る 。 最 近 の 研 究 か ら 、 α ヘ リ ッ ク ス 中 間 体 は 、 β シ ー トの一 部
を 含 む こ と も示 唆 さ れ て い る 。
一5一
折 り紙 の ツ ル を 思 い 浮 か べ て み よ う。 ツ ル の 羽 や 頭 、 尾 は 、 決 し て 段 階 的 に は で き な い。 紙 を 折 た た
み コ ソ パ ク トに し、 折 り返 しを 何 回 か や る うち に 、 大 き な 構 造 変 化 が 起 きて 、 ツ ル が 完 成 す る 。 で き上
が り と途 中 め構 造 が 大 き く異 な る点 、 コ ンパ ク トに す る こと が 重 要 な点 な ど、 β ラ ク トグ ロ ブ リ ンの フ ォ ー
ル デ ィ ソ グ は 、 実 に 折 り紙 に よ く似 て い る。
現 在 、 異 種 核NMRを
用 い て 、 中 間 状 態 の 立 体 構 造 を 残 基 レベ ル で 解 析 して い る 。15N、13C安
体 で 標 識 した ウ シ ・β ラ ク トグ ロ ブ リ ソ を 、 酵 母 を利 用 して 発 現 さ せ る(9)。これ をNMRで
定 同位
解析す るこ
とに よ っ て 、 タ ソ パ ク質 の 立 体 構 造 を ア ミノ酸 残 基 レベ ル で 研 究 す る こ と が 可 能 とな る(図4)。
今後 、
中 間 体 の ど の 部 分 に α ヘ リ ッ ク ス や β シ ー トが ど の 程 度 形 成 され て い る か を 明 ら か に す る こ と が で き る
と期 待 して い る。
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O.
O FF
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諭.
L57
●
A,3
論.
9.08.O
HN(ppm)
10.0
図4:β
O.
O◎り γ
筍br
7.0
ラ ク トグ ロ ブ リ ソ の ネ イ テ ィ ブ状 態 の1H,15NHSQCNMRス
ア ミ ノ酸 残 基 の ア ミ ドの'H,15N交
ペ ク トル 。 各 ピ ー ク は 、 表 示 した
差 ピ ー ク を 示 す 。 これ ら を 用 い て 、 溶 液 中 の 二 次 構 造 や そ の
変 化 を解 析 す る こ と が で き る 。
6.α
→ β構 造 転 移 の 一 般 性
β ラ ク トグ ロ ブ リ ソ で 観 測 さ れ た 、"α
(α→ β構 造 転 移)"は
ヒ ビ タ ー1(PAI-1)の
ヘ リ ッ ク ス の 過 渡 的 形 成 と 、 よ り安 定 な β シ ー トへ の 転 移
、 他 の い くつ か の タ ン パ ク質 で も見 られ る。 プ ラ ズ ミ ノ ー ゲ ン活 性 化 因 子 イ ン
例 を紹 介 し よ うQ。)。PAI-1は391ア
ミノ ー ゲ ン活 性 化 因 子 と1対1で
ミノ酸 残 基 よ り構 成 さ れ 、 プ ラ ズ
結 合 して そ の 活 性 を 阻 害 す る。 活 性 型 のPAI-1は
が た つ と 、 よ り安 定 な 不 活 性 型 に変 化 す る。PAI-1の
不 安定 で 、時 間
活 性部 位 は αヘ リックスで あ るが 、不活 性 化
に伴 い 、 α ヘ リ ッ ク ス は β シ ー ト構 造 の 中 に 挿 入 さ れ 、 新 た な 逆 平 行 βス トラ ソ ドを つ く る。 こ の 構 造
一6一
転 移 は ペ プ チ ド結 合 の 切 断 を 伴 わ な い の で 、 各 種 の 変 性 剤 、 熱 に よ り不 活 性 型 のPAI-1か
を 再 生 す る こ と が で き る。PAI-1の
ら活 性 型
活 性 型 は 速 度 論 的 に トラ ッ プ さ れ た フ ォ ー ル デ ィ ソ グ の 中 間 状
態 に相 当 し て い る 。
さ ら に狂 牛 病 や ク ロ イ ツ フ ェル ト ・ヤ コ ブ病 な ど の 原 因 と され る プ リオ ン蛋 白質 で も、 α→ β構 造 転
移 が 、 そ の 伝 播 や 発 病 に 関 与 して い る こ と が 示 唆 され て い る(6)。 正 常 な プ リオ ン蛋 白質 は だ れ も が も っ
て お り、 αヘ リ ッ ク ス 構 造 を と っ て い る。 と こ ろ が 何 ら か の 原 因 で プ リオ ン タ ソ パ ク質 に α→ β構 造 転
移 が 起 き る と 、 ア ミ ロ イ ドと 呼 ば れ る 規 則 正 しい 繊 維 状 の 会 合 体 を 形 成 して し ま い 、 発 病 に 至 る 。 プ リ
オ ソ蛋 白質 の α→ β構 造 転 移 は 、 極 め て 低 い 確 率 で 突 発 的 に起 き る が 、 特 定 の ア ミ ノ酸 変 異 に よ りそ の
確 率 が 高 ま る。 ま た 、 既 に α→ β構 造 転 移 を 起 こ した プ リオ ソ タ ンパ ク質 に よ って 、 正 常 な プ リオ ン タ
ンパ ク質 の α→ β構 造 転 移 が 誘 起 さ れ る。 これ ら の プ リオ ン タ ソ パ ク 質 の α→ β構 造 転 移 の 機 構 や そ の
意 義 に つ い て は 、 ま だ不 明 な点 が 多 い 。 しか し、 局 所 的 相 互 作 用 に よ る α ヘ リ ッ ク ス 構 造 の す ば や い形
成 と、 よ り安 定 な β構 造 へ の ゆ っ く りと した 変 換 と い う構 図 は 、 い くつ か の 蛋 白 質 に 共 通 して お り、 タ
ン パ ク質 の フ ォ ー ル デ ィ ン グ機 構 の 基 本 原 理 の ひ と つ で あ る こ と は 間 違 い な い と思 う。
ア ンフ ォ ール デ ィ ング
した状 態
活性型
不活性型
活性 部 位 一 ゆ
欝
一 数分
37℃,2時 閥
一
変性 剤 、 熱
図5プ
ラ ズ ミ ノ ー ゲ ソ活 性 化 因 子 イ ン ヒ ビ ター の フ ォ ー ル デ ィ ン グ 反 応 。 活 性 型 イ ソ ヒ ビ タ ー の 活 性
部 位 は α ヘ リ ッ ク ス で あ る。 よ り安 定 な 不 活 性 型 で は 、 この αヘ リッ クス は β ス トラ ン ドに な る。
変 性 剤 や 熱 に よ り不 活 性 型 を 壊 して さ せ て 、 再 び 、 活 性 型 を つ くる こ と が で き る。 α→ β構 造 転
移 反 応 が タ ン パ ク質 の 機 能 を 制 御 す る例 で あ る 。
7.お
わ りに
Anfinsenの
フ ォ ー ル デ ィ ソ グ 反 応 に 対 す る 熱 力 学 的 仮 説 は 、 あ る ア ミ ノ酸 配 列 に 対 応 す る 立 体 構 造
は ひ とつ で あ る こ と を 主 張 す る も の で あ っ た 。 しか し最 近 で は 、 あ る ア ミ ノ酸 配 列 に対 して 異 な っ た 立
体 構 造 を と る タ ン パ ク質 が い くつ か 明 らか と な っ て きて お り 、alternatefold(別
る 。 こ こ に 紹 介 し たPAI-1や
の 折 り方)と
プ リオ ソ タ ン パ ク質 な ど の構 造 変 化 も、alterna乞efoldに
一7一
呼 ばれ
含 ま れ る。
"だ ま し ぶ ね"と
い う
、 帆 と 船 首 を 交 換 す る 折 り紙 あ そ び が あ る が 、 そ れ を 思 い 出 す 。Levirltha1の
パ
ラ ド ッ ク ス は 、 ネ イ テ ィ ブ な タ ソ パ ク質 に 到 達 す る 経 路 が ひ と つ で あ る こ と を 主 張 す る も の で あ っ た が 、
ジ グ ソ ー パ ズ ル モ デ ル で 述 べ た よ う に 、 さ ま ざ ま な 経 路 の 存 在 や 間 違 っ て フ ォ ー ル デ ィ ン グ し た状 態 の
重 要 性 が 議 論 さ れ て い る 。 フ ォ ー ル デ ィ ソ グ研 究 の 進 展 に は 目 を 見 張 る も の が あ る が 、 そ れ が 解 明 さ れ 、
任 意 の ア ミ ノ酸 配 列 に対 して 立 体 構 造 を 予 測 す る こ と が で き る よ うに な る に は 、 ま だ ま だ 時 間 が か か り
そ う で あ る 。 折 り紙 を 思 い 浮 か べ な が ら 、 タ ン パ ク 質 の フ ォ ー ル デ ィ ン グ 反 応 の し くみ や 中 間 状 態 の 役
割 を 探 る こ と の 楽 しみ は 当 分 続 くで あ ろ う。
謝 辞
共 同 研 究 者 で あ る 桑 田 一 夫(岐
CarlBatt(コ
ー ネ ル 大 学)の
阜 大 学 医 学 部)、
星 野 大 、VincentForge(た
ん ぱ く 質 研 究 所)、
諸 氏 に感 謝 す る ・
文 献
1)Pain,R.H。Editor(工994)Mechanismofproteinfolding,OxfordUniv.Press.日
崎 山 文 夫,後
藤 祐 児,河
田 康 志 訳(1995)タ
本 語 訳:
ン パ ク 質 の フ ォ ー ル デ ィ ン グ,シ
ュ プ リ ン ガ ー フ ェ ア ラー
ク 東 京.
2)後
藤 祐 児(1994)立
編)野pp.54-78吉
3)星
野 大,後
体 構 造 は ど の よ う に し て で き る か?,"蛋
坂 一 之
岡 書 店.
藤 祐 児(1997)フ
雄 編"pp.98-109,共
白 質 一 こ の 絶 妙 な る 設 計 物(赤
ォ ー ル デ ィ ン グ 中 間 体,"タ
ソ パ ク 質 の か た ち と 物 性(中
村 春 木,有
立 出版
4)Dil1,K.A..&Chan,H.S.(1997)FromLevinthaltopathwaystofunnels:Thenew
viewofproteinfoldingkinetics.NatureStruct.Bio1.4,10一
5)後
藤 祐 児(1997)シ
ャ ペ ロ ニ ンGroELに
ユ9.
よ る タ ソ パ ク 質 の フ ォ ー ル デ ィ ン グ.細
胞 工 学,16,1250-
1257.
6)Prusiner,S.B.(1997)PriondiseasesandtheBSEcrisis.Science,278,245-251.
7)Shiraki,K、,Nishikawa,K.&Goto,Y.(1995)Tfifluoroethanol-inducedstabilization
oftheα
一helicalstructureofβ
一lactoglobulin:Implicationfornon-hierarchicalprotei
nfolding.J.Mo1.Biol.245,180-194.
8)Hamada,D.,Segawa,S.&Goto,Y.(1996)Non-nativeα
refoldingofβ
一helicalintermediateinthe
一lactoglobulin,apredominantlyβ
一sheetprotein.NatureStruct.Biol.
3,868-873.
9)Kim,T.R.,Goto,Y.,Hirota,N.,Kuwata,K.&Batt,C.A.(1997)Highlevel
expressionofbovineβ
一1actoglobulininPichiapastorisandcharacterizationofitsphysi
calproperties.ProteinEng.10,1339-1345.
10)Mottonen,J.,Strand,A.,Symersky,J.,Sweet,R。M.,Danley,D.,Geoghegan,K:.
F.,Gerard,R.D.&Goldsmith,E.J.(1992)Structuralbasisoflaterlcyinplasminogen
activatorinhibitor-1。Nature,355,270-273
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坂 文
用 語 説 明
モル テ ン ・グロ ビュール状 態
ネ イ テ ィ ブ状 態 と 同 様 な 多 くの 二 次 構 造 を 含 み 、 側 鎖 は フ レキ シ ブ ル な コ ン パ ク トな 変 性 状 態 。 タ ン パ
ク質 の フ ォ ー ル デ ィ ン グ反 応 の 主 要 で 普 遍 的 な 中 間 状 態 と し て 提 唱 さ れ た。 しか し、 さ ま ざ ま な タ ン パ
ク質 で 研 究 が 行 わ れ た 結 果 、 実 体 は 最 初 の 定 義 と は 異 な る こ とが 明 ら か と な り、 解 釈 に つ い て 意 見 が わ
か れ て い る。
フ ォ ー ル デ ィ ソ グ ・フ ァ ネ ル
フ ァネ ル(funnel)と
は ロ ー トを 意 味 す る 。 フ ォ ー ル デ ィ ン グ反 応 の エ ネ ル ギ ー 曲 面 は ロ ー トを 立 て た
よ うに な っ て い る と い う概 念 。 ロ ー トの 縦 軸 は エ ネ ル ギ ー を 示 し、 横 軸 の 広 が りは コ ン フ ォ メー シ ョ ン
を示 す 。 ロー トの注 ぎ 口が 変 性 状 態 で あ り、 出 口 が ネ イ テ ィブ抹 態 に 相 当す る。 小 さ な タ ソパ ク質 の フ ォ ー
ル デ ィ ン グ反 応 は 、 エ ネ ル ギ ー の 高 い 変 性 状 態 か ら、 エ ネ ル ギ ー の 低 い ネ イ テ ィ ブ状 態 へ と 、 ロ ー トを
水 が 流 れ 落 ち る よ う に進 む 。 これ が妨 げ ら れ る と、 中 間 状 態 が蓄 積 し た り、 特 定 の 経 路 が 形 成 さ れ る と
考 える。
保
安 組
織
表
低 温 セ ソ ター で は 寒 剤 液 化 ・供 給 業 務 を行 な って い くに あ た って は 、 高 圧 ガ ス保 安 法 に よ り、
以 下 の保 安 管 理 の た め の 組 織 を設 け る こ と が 義 務 づ け られ て い ま す 。
吹
保 安 総 括 者
田
分
室
豊
城
野
政
弘(工 学 部長)
櫛
代 理
濱
口
智
尋(副 セ ソター長)
都
保安 技術 管理 者
百
瀬
英
毅
但
岡
田
東
一
牧
山
博
美
〃
〃
保
安
〃
代理
係
員'
代理
中
田
分
室
孝
司(理 学部 長)
福
仁(セ ン ター 長)
採
道
夫
松
尾
隆
祐
鷹
岡
貞
夫
石
塚
守
(平成10年10月 現 在)
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