蛋白質核酸酵素:サルモネラ菌の毒針と尻尾

サルモネラ菌の毒針と尻尾
毒素分泌装置とべん毛モーター
相沢慎一
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サルモネラ菌の毒素分泌装置を発見 した。この装置は細胞の内膜と外膜を貫くニードル
状の構造体で，その基部構造はべん毛モーターとよく似ている。毒素分泌装置もべん毛モ
ーターもともに菌体外に蛋白質を輸送するが，それらの蛋白質はシグナル配列をもたない。
したがって，これらはSec系 に頼らない，独自の蛋白質輸送系をつくり，タイプⅢとよば
れる。遺伝子解析の結果は，病原性蛋白質とべん毛蛋白質が共通の祖先をもつことを示唆
する。2つ の構造体の構築原理の解析，機能の比較から，病原性と運動性の接点を探る。
【蛋 白 質 分 泌 】【
病 原 性 因 子 】【タ イ プⅢ 輸 送 系 】【べ ん 毛 モ ー タ ー 】
【ニ ー ドル 構 造 体 】
は じめ に バ ク テ リ ア の 顔
な 生 物 で も， そ の 生 活 様 式
バ クテ リア の よ うな 単 純
（
生 き様 ） は 見 か け ほ ど単
リア は， ヒ トを死 に 至 ら し め る 病 原 細 菌 と して の怖 ろ
しい顔 を露呈 す る。
純 で は な い 。 た と え ば ， 日常 生 活 で わ れ わ れ に な じ み
の深 い納豆 菌
（
枯 草 菌 ） は， 煮 た豆 を分 解 して ポ リグ
ひ とつ の 生 命 体 の 生 き様 が こん な に も違 っ て 見 え る
の は ， これ らの 顔 が ま っ た く異 な る 種 類 の 研 究 者 に よ
ル タ ミ ン酸 を分 泌 す る納 豆 製 造 モ ー ド と， 栄 養 を 求 め
っ て つ く り上 げ られ た も の だ か ら だ 。 た とえ ば， 侵 入
て 水 中 を泳 ぎ 回 る遊 泳 モ ー ド， さ ら に栄 養 が 枯 渇 し て
モ ー ドに よ る"ば
く る と固 い 殻 に 閉 じ こ も っ て 身 を守 る胞 子 モ ー ドの3
医 師 な い し は 医 学 研 究 者 に よ っ て ， 遊 泳 モ ー ドに よ る
"自 由 生 命 体 ”の 顔 は バ ク テ リ ア そ の も の を研 究 対 象 と
つ の"顔
” が あ る。
土 の 中 に 住 む 根 粒 菌 も3つ の 顔 を も つ 。 仮 眠 モ ー ド
で 寒 い 冬 を し の ぎ， 春 に な っ て 雨 が 降 りあ た り に 豆 類
い 菌 ” の 顔 は ヒ トを研 究 対 象 とす る
す る 生 物 物 理 学 者 に よ っ て つ く り上 げ られ た イ メ ー ジ
な のだ。
の根 っ こで も伸 び て くる と， 遊 泳 モ ー ドで 毛 根 ま で 泳
日 々 ヒ トの生 死 を 目 の 当 た りに し， 一 刻 も早 い病 気
い で い っ て侵 入 し， 毛 根 細 胞 内 に コ ロニ ー を形 成 し て
の 治 療 を め ざ す 医 者 に と っ て ， ば い 菌 の 尻 尾 は"な
窒 素 固 定 モ ー ド に入 る。
て もが な ” の趣 味 の 研 究 に ち が い な い 。 一 方 ， 蛋 白 質
く
納 豆 菌 や 根 粒 菌 よ りは も っ と快 適 な 環 境 条 件 に住 む
や そ の 構 築 物 の 物 理 化 学 的 性 質 を調 べ て い る 生 物 物 理
腸 内 細 菌 に さ え ，3つ の 顔 が あ る。 消 化 され 残 った 食 べ
学 者 に とっ て， 病 気 と い う現 象 は 数 え きれ な い 遺 伝 子
物 の 中 を泳 ぎ 回 る遊 泳 モ ー ド， 線 毛 で 腸 管 に張 りつ く
や 蛋 白質 を 含 み ， 多 くの ス テ ップ の あ と に現 わ れ る包
コ ロ ニ ー 形 成 モ ー ド， そ し て腸 管 細 胞 に入 り込 む 侵 入
括 的 な 現 象 で ， 厳 密 性 に 欠 け る 曖 昧 模 糊 と した 近 づ き
モ ー ドで あ る 。 と くに 最 後 の モ ー ドで こ の 種 の バ ク テ
が た い 分 野 だ 。 こ の よ う に， そ れ ぞ れ の 研 究 者 ご と に
Shin-ichi
Aizawa，
帝 京 大 学 理 工 学 部 バ イ オ サ イ エ ンス 学 科
University,Toyosatodai,Utsunomiya
Poison
Needles
and
Tails
（〒320-8551宇
都 宮 市 豊 郷 台1-1）
［Department
of Biosciences，Teikyo
320-8551,Japan]
of
Salmonella
typhimurium:Pathogen
Export
Apparatus
and
Flagellar
Motor
1
Ⅰ
2
蛋 白 質 核 酸 酵 素 Vol．44 No．1（1999）
研 究 の 目 的 や 手 段 が 大 き くか け離 れ てい るのだ か ら， 同
材 を駆 使 して ， バ ク テ リア の 生 死 に 関 係 の な い感 覚 器
じ研 究 対 象 が 細 菌 とか バ ク テ リア とか ば い 菌 とか 異 な
官や運 動器 官の微 細形 態 の解 明 に没頭 してい った。研
る ニ ュ ア ン ス の名 前 で よ ば れ ， さ ら に は ま っ た く異 な
究 室 で 継 代 培 養 され 続 け た バ ク テ リ ア に は 病 原 性 が な
る 生 き物 の よ う に 取 り扱 わ れ る の も無 理 の な い こ とだ。
い か ， あ る い は あ っ て も非 常 に弱 い菌 株 が 使 用 さ れ て
こ こで は 筆 者 の好 み か らバ ク テ リ ア と よ ぶ こ と に す る
きた こ と もあ っ て ， や が て バ ク テ リア が 病 原 菌 で あ る
が ， 時 に 応 じて 細 菌 も用 い よ う 。
ことを忘れ てい った。
これ か ら お 話 しす る の は ， 腸 内 細 菌 の 一 種 ， サ ル モ
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ネ ラ 菌 の2つ
の 顔 だ 。 これ らの 顔 は， そ れ ぞ れ に特 徴
しか し， 昨 今 の0157騒
ぎ以 来 ， 病 原 性 を もた ない と
信 じ て い た 大 腸 菌 で さ え 自 然 界 で は病 原 性 を獲 得 し う
的 な道 具 立 て に よ っ て 特 徴 づ け られ る 。 病 原 性 発 現 の
る こ とを 知 っ て ， 大 い に 驚 い た 。 大 腸 菌 だ けで は な い。
た め に は 毒 針 が ， そ し て 自 由 に泳 ぎ 回 る た め に は尻 尾
筆 者 ら が 用 い て い る サ ル モ ネ ラ 菌 や ， ほ ぼ過 去 の病 原
が 必 要 だ 。 筆 者 は長 年 ， サ ル モ ネ ラ菌 を研 究 して きた
菌 と考 え ら れ て い た 結 核 菌 も力 を盛 り返 し て き た。 怖
が ， そ の1つ
の顔， す なわ ち尻尾 で あ るべん毛 しか見
い こ とだ 。 と こ ろ が ， 病 原 性 の 仕 組 み に 関 して は， 意
て こ な か っ た 。 と こ ろが 最 近 ， 一 見 た い へ ん 異 な っ た
外 に 多 くの こ とが わ か っ て い な い の だ 。 長 年 バ ク テ リ
これ ら2つ の 道 具 が ， 実 は 根 底 で は 同 一 の起 源 を もつ
ア だ け を 見 つ め て きた と い う の に， わ れ わ れ は い っ た
こ とが 明 らか に な っ て き た 。 そ れ ば か りか ， よ く見 れ
い何 をわ か っ た とい う の だ ろ う 。
ば， その構造 まで似 てい るで はな いか。 いった い病原
性 っ て何 だろ う ？
この2つ
運 動性 ってなんだ ろう ？ 『
い まや ，
の顔 を切 り離 し て 考 え ら れ な く な っ て きた の
だ。
サ ル モ ネ ラ菌 に よ る食 中 毒 で は， 吐 き 気 ， 腹 痛 ， 水
性 下 痢 が ふ つ うの 症 状 で あ る。0157や
赤 痢 菌 に な る と，
これ ら の症 状 の ほ か に， 血 管 の破 壊 に よ る血 便 が 出 て
くる 。 こ の よ う な症 状 は ， 本 来 腸 の 中 に と ど ま るべ き
バ ク テ リア が ， 突 如 ホ ス トの 腸 管 細 胞 に 侵 入 し細 胞 破
壊 を ひ き起 こす こ とに よ って 生 じ る。 正 常 な 状 態 で は，
腸 管 細 胞 の 中 に 入 っ て い くこ と の で き な い バ ク テ リア
バ ク テ リ ア に よ る病 気 の 起 源 は ， ヒ トの 起 源 と同 じ
が ， な ぜ あ る状 況 下 で は腸 管 細 胞 へ の 侵 入 を 開 始 す る
く らい 古 い は ず だ 。 目 に 見 え な い 病 魔 との 絶 望 的 な 戦
の か 。 い った い， そ の シ グ ナ ル は何 か 。 病 気 の第1歩
い は ， つ い100年
バ ク テ リ ア と ホ ス ト細 胞 との 接 触 の メ カ ニ ズ ム は ど う
ほ ど前 まで 続 いて いた。19世
紀 末，パ
ス ツ ー ル や コ ッ ホ た ち に よ っ て ， 病 原 性 の 原 因 と して
，
な っ て い る の だ ろ う。
バ ク テ リア とい う生 き物 が 姿 を現 わ した 。 バ ク テ リア
が い っ た い ど ん な 生 き物 で あ る か と い う疑 問 は ， や が
て 別 々 の 道 を た ど っ て 現 代 科 学 の2つ
Ⅱ.毒 素
の分 野 として進
化 し て くる 。 （もち ろん ， バ ク テ リア を研 究 材 料 とす る
病 原 菌 の 働 き を 考 え る と き， ま ず 思 い 浮 か ぶ の が 毒
分 野 は い く ら もあ る が ， 大 半 は 高 等 生 物 と も共 通 の メ
素 の 存 在 だ ろ う。 毒 素 が ホ ス ト細 胞 を 破 壊 す る。 毒 素
カ ニ ズ ム を もつ 現 象 を 扱 っ て い る 。 病 原 性 とべ ん 毛 回
に は 大 き く分 け て 内 毒 素 と外 毒 素 の2つ
転 に よ る運 動 性 は バ ク テ リア 固 有 の 現 象 だ 。）
素 と はバ ク テ リ ア の 細 胞 表 面 の 分 子 ， 外 毒 素 とは バ ク
人 類 の 敵 で あ る病 原 菌 の 根 絶 を 目 標 と した 人 た ち は ，
そ の物 質 代 謝 に 注 目 しさ ま ざ ま な代 謝 回 路 を発 見 した 。
や が て 抗 生 物 質 に よ っ て バ ク テ リ ア を容 易 に 死 に 追 い
や る こ とが で き る よ う に な り， ほ ぼ そ の 目標 は達 成 し
が あ る。 内 毒
テ リ アが 体 外 に放 出 す る もの を い う。
サ ル モ ネ ラ 菌 の 内 毒 素 は， 細 胞 表 面 を覆 っ て い る リ
多 糖 類 （LPS） で あ る 。LPSは
血 液 中 に 入 り， マ ク
ポ
ロ フ ァー ジ を刺 激 し て ， い わ ゆ る 内 毒 素 シ ョ ッ ク を ひ
た か に見 え た 。 薬 剤 耐 性 菌 の 出 現 ま で は 。 バ ク テ リア
き起 こす 。LPSの
が 環 境 に 応 じ て ， きわ め て 短 期 間 に そ の性 質 を変 え う
た が っ て ， バ ク テ リ ア 数 が 少 な い と き は毒 性 は少 な い
る自由生 命体 で あ るこ とを忘れ た のだ。
だ ろ う。
一方
， 生 き物 と し て の バ ク テ リ ア に興 味 を 抱 い た 生
物 物 理 学 者 た ち は ， 光 学 顕 微 鏡 や 電 子 顕 微 鏡 な どの 機
2
一方
量 は バ ク テ リア の 数 に比 例 す る。 し
， 外 毒 素 に はた くさ ん の 種 類 が あ る 。 赤 痢 菌 や
157の よ うな病 原 性 大 腸 菌 の 分 泌 す るベ ロ毒 素 は分 子
O
Ⅲ
Ⅳ
サル モネラ菌の毒 針と尻尾
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量80K程
度 の 大 きさ の蛋 白質 複 合 体 で，RNA，N-グ
3
ラ ズ ム 空 間 に放 出 さ れ る。 そ し て ， 外 膜 に空 い た チ ャ
リ コ シ ダ ー ゼ 活 性 を も ち， ペ プ チ ド合 成 を 阻 害 す る1）
。
ネ ル を通 っ て， 外 界 に出 て い く。 肺 炎 桿 菌Klebsiellaの
ベ ロ毒 素 に 侵 さ れ た 血 管 上 皮 細 胞 は蛋 白質 合 成 が 阻 害
分 泌 す る プ ル ラ ナ ー ゼ が よ く研 究 さ れ て い る 。
さ れ ， や が て 壊 死 す る。 そ れ が 出 血 性 大 腸 炎 で あ る。
タ イ プⅢ は タ イ プ1同 様 ， 内 膜 と外 膜 をつ な ぐチ ャ
し か し， サ ル モ ネ ラ 菌 を は じめ 多 くの 外 毒 素 は 明 ら
ネ ル が あ る 。 た だ し， こ ち ら の チ ャ ネ ル は構 造 的 に 複
か な 酵 素 活 性 を も た ず ， まだ 実 体 が わ か ら な い 。 した
雑 で 数 十 種 類 の 蛋 白質 か らで き あ が っ て い る。 こ の 系
が っ て ， そ の ほ と ん どが 遺 伝 子 名 で し か よ ば れ て い な
を 通 過 す る 蛋 白 質 の 特 徴 は シ グ ナ ル 配 列 を もた な い こ
い （そ の 遺 伝 子 名 も まだ 統 一 的 な 名 前 が な く， 混 乱 を
とだ 。 サ ル モ ネ ラ 菌 の 外 毒 素 は シ グ ナ ル 配 列 を も た な
き た し て い る）。 これ ら はベ ロ毒 素 の よ う に 直 接 ホ ス ト
い の で ， そ の毒 素 分 泌 系 は こ の タ イ プ に分 類 され る。 外
細 胞 を殺 す 力 が な い け れ ど， 病 原 性 発 現 に は不 可 欠 な
毒 素 ば か りで は な い 。 分 泌 装 置 そ の もの も遺 伝 子 で 見
も の だ か ら 間 接 的 な 毒 素 と考 え て もい い だ ろ う。 た だ ，
る か ぎ りは病 原 性 因 子 な の だ 。
毒 素 とい う 言 葉 は な ん で も包 括 して し ま う便 利 な 言 葉
そ して ， べ ん 毛 蛋 白質 もほ と ん どが シ グ ナ ル 配 列 を
な の で ， 使 い 方 に は注 意 が 必 要 だ 。 毒 素 の な か に は 分
もた ず ， タ イ プⅢ に分 類 さ れ る 。 毒 素 を分 泌 す る わ け
泌 さ れ な い もの もた く さん あ る。 そ こ で 分 泌 さ れ る も
で も な い の に ， な ぜ べ ん 毛 蛋 白 質 は病 原 性 因 子 と多 く
の だ け を 外 毒 素 と よ び， 分 泌 さ れ な い もの は た だ 病 原
の共 通 性 を もつ の か ？
性 因 子 と よ ん だ ほ うが 適 当 だ ろ う。
外 毒 素 を正 常 に 分 泌 す る た め に は 多 くの 遺 伝 子 が 必
要 だ 。 サ ル モ ネ ラ 菌 で は50以
上 もあ り， い くつ か の遺
Islands） に
バ ク テ リア の べ ん 毛 は， 正 式 に は 鞭 毛 と書 か れ る。 そ
分 か れ て染 色 体 上 に点 在 す る2）
。 赤 痢 菌 で は病 原 性 遺 伝
れ は 発 見 当 初 ， 原 生 動 物 の 鞭 毛 と 同 じ物 と見 な され た
子 の ほ とん ど が プ ラ ス ミ ド上 に乗 っ て い る。 こ れ ら た
た め だ が ，1974年
く さん の遺 伝 子 産 物 が 病 原 性 因 子 とな るの で あ るが ， そ
が 証 明 さ れ ， 機 能 的 に も構 造 的 に も ま っ た く別 物 で あ
伝 子群
（SPI：Salmonella
Pathogenicity
れ ら は どん な 役 割 を 果 た し て い る の か ？
にバ クテ リアの鞭 毛 は回転 する こと
る こ とが わ か っ た 。 こ こで は ， 鞭 打 ち運 動 を示 唆 す る
鞭 毛 と書 く代 わ りに ， べ ん 毛 とひ らか な 書 き に して 区
別 し よ う。
べ ん 毛 が 生 物 物 理 学 者 の 注 目 を あ び て い るの は ， ひ
外 毒 素 の 多 く は水 溶 性 の 蛋 白 質 だ が ， そ の ま ま で は
脂 質2重
層 で で きた 細 胞 膜 を通 過 す る こ とは で き な い。
とつ にはその根 元 にあ るべ ん毛 モ ー ター の回転 メ カニ
ズ ム が い まだ に 不 明 だ か らだ5）
。 さ らに ， 回 転 のエ ネ ル
細 胞 膜 を通 過 す る た め に は ， そ れ 専 用 の 特 別 な 穴 ， す
ギ ー が 生 体 エ ネル ギ ー の代 表 で あ るATPで
な わ ち 分 泌 装 置 が 必 要 で あ る。 実 際 ， 細 胞 膜 上 に は た
素 イオ ンの流 れで あ る ことも大 きな魅力 なのだ。 い っ
く さん の 種 類 の 分 泌 装 置 が あ り， 構 成 蛋 白 質 の 種 類 や
た い ， そ の エ ネ ル ギ ー 変 換 の 物 理 的 原 理 は どん な だ ろ
数 に よ っ て3つ の タ イ プ に 大 別 され る3,4）
（
最 近 ，Sec依
う？
存 型 の4つ
目 と5つ 目 の タ イ プ が 見 つ か っ て い るが ， ま
だ 例 が 少 な い の で 取 りあ げ な い ）。
タ イ プ1で
は， た っ た1種
また ， べ ん 毛 の 回 転 速 度 が1，000Hz以
は な く， 水
上 に も達
し， な お か つ 磨 耗 が な い とい う事 実 は， マ イ ク ロ マ シ
ー ン を夢 見 る工 学 者 の 興 味 を も刺 激 す る 。 しか し， こ
類 の 蛋 白 質 で で きた チ ャ
れ らの 素 朴 な 疑 問 に答 え る た め に 不 可 欠 の べ ん 毛 モ ー
ネ ル が 内膜 と外 膜 と を つ な ぐ。 そ の 中 を通 っ て 外 毒 素
タ ー の 構 造 は， い ま だ に全 部 が わ か っ て は い な い 。 な
が 分 泌 さ れ る 。 大 腸 菌 の 分 泌 す る溶 血 素 ヘ モ ラ イ シ ン
ぜか ？
が その代 表 だ。
べ ん 毛 モ ー タ ー の構 築 に は ，40あ
ま りの遺 伝 子 が 関
タ イ プⅡ の 特 徴 は， 内 膜 通 過 に 一 般 的 分 泌 経 路
与 し て い る 。 しか し， 遺 伝 子 の 数 な ら フ ァ ー ジ だ っ て
（GSP） を使 い ， 外 膜 通 過 に は別 の チ ャ ネ ル を 使 う こ と
負 けは しない。 形 だって似 た よ うな ものだ。 そ れでべ
だ 。 こ の系 を 通 過 す る蛋 白 質 は ， シグ ナ ル 配 列 を もち ，
ん 毛 も フ ァー ジ も 自 己 集 合 す る蛋 白 質 超 分 子 と して 類
Sec複 合 体 に よ っ て認 識 さ れ ， 切 断 を受 けた の ちペ リプ
似 物 扱 い され て い るが ， そ れ は 大 き な誤 解 だ 。 この2つ
3
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4
蛋 白質 核 酸 酵 素 図1べ
Vol．44 No1（1999）
ん毛 の構 築 経路
上段の記号
（
遺 伝 子 あ る い は蛋 白質 ） が 付 加 され る と， 次 の構 造 が つ くら れ る。 下 段 の 記 号 は役 割 の ま だ わ か って な い もの であ る。
の 系 に は構 築 過 程 に 決 定 的 な違 い が あ る。 フ ァー ジ は
変 異 体 か ら べ ん 毛 構 造 の 中 間 体 を見 い だ し， 小 さ い 物
細 胞 質内 で各部 品が 別個 に構築 され， 最後 に それ らの
か ら順 に 並 べ る こ とで 構 築 順 序 と した の だ っ た8,9）
。 （こ
部 品 が 合 体 し て 大 き な フ ァー ジ粒 子 とな る。 と ころ が，
れ に は 時 間 の 観 念 が 含 ま れ な い の で 注 意 を 要 す る。 細
べ ん 毛 は細 胞 外 に 構 築 さ れ る。 ほ と ん ど の べ ん毛 蛋 白
胞 分 裂 とべ ん 毛 形 成 との 関 係 に つ い て は総 説10）を お 読
質 は ， 細 胞 外 に"分
み いた だ きた い ）。 それ をま とめ る と， 次 の よ うにな る11,12）
泌 ” され て 構 築 さ れ る の で ， フ ァ
ー ジ の よ うな 方 法 は 採 れ な い。 膜 を介 し て 蛋 白質 を分
（
図1） 。
泌 す る た め の 装 置 まで 自前 で つ く ら な けれ ば な らな い
（1）MSリ
か らだ 。 そ れ で は， べ ん毛 は ど ん な 順 序 で構 築 され る
べ ん 毛 蛋 白 質 の な か で 最 も早 く細 胞 膜 内 に形 成 さ れ
のか ？
ング複 合体
る二 重 リ ング構 造 体 。 複 合 体 と名 づ け られ て い るが ， 実
際 は た っ た ひ とつ の 蛋 白 質FliFか
V.べ ん毛構築経路
らで きてい る13）
。MS
リング複合 体 はべ ん毛 形成 の建築 基盤 だ。
べ ん 毛 の構 築 順 序 を議 論 す る に は ま ず ， べ ん 毛 遺 伝
（2）
ス イ ッ チ複 合 体 ， 輸 送 装 置
MSリ
ン グ複 合 体 の細 胞 質 側 に形 成 され る2つ の 蛋 白
子 の 発 現 制 御 か ら始 め な け れ ば な ら な い だ ろ う。 べ ん
質 複 合 体 。 そ れ ぞ れ 独 立 に形 成 され る 。 ス イ ッ チ 複 合
毛 モ ー ター の構 築 に必 要 な40以
体 は お も に べ ん 毛 モ ー タ ー の 回 転 制 御 にか か わ る3つ
上 の遺 伝 子 は， 染 色 体
上 で ク ラ ス タ ー をつ く っ て い る 。 べ ん 毛 構 築 に あ た っ
の 蛋 白 質 （FliG，F1iM，FliN）
て は， 遺 伝 子 間 に 厳 しい 上 下 関 係 が 生 じて ， 時 々 刻 々
周 辺 にCリ
必 要 と さ れ る蛋 白 質 の 生 産 制 御 を行 な っ て い る。 この
輸 送 装 置 は 数 種 類 の 比 較 的 小 さ な 蛋 白 質 （Flio，Flip，
べ ん 毛 遺 伝 子 間 の 複 雑 な 制 御 関 係 を こ こで 詳 し く述 べ
FIiQ，FliR，FlhA，FlhB）
る スペ ー ス は な い の で ， 最 近 の 総 説6,7)をお 読 み いた だ
の 中 心 部 に ロ ッ ド状 の 構 造 体 を つ く る。 こ れ ら の 複 合
きた い 。 以 下 しば ら くの 間 ， べ ん 毛 構 築 に必 要 な 蛋 白
体 が 完 成 して や っ と， べ ん 毛 蛋 白 質 の 分 泌 が 始 ま る。
質 が す べ て与 え られ た と して 話 を進 め よ う。
べ ん 毛 構 築 経 路 の 研 究 は フ ァー ジ の 構 築 経 路 と同 じ
手 法 で解 明 され た 。 す な わ ち ， さ ま ざ まな べ ん 毛 欠 損
4
（3）
か らな り，Mリ
ングの
ング とよ ばれ る ドー ム 状 の構 造 体 をっ くる14）
。
の 複 合 体 で15,16)，Mリ ン グ
ロツ ド
細 胞 膜 上 のMSリ
ン グ 複 合 体 か ら， ペ リプ ラズ ム 空
間 に 伸 び る棒 状 の 構 造 体 。 ロ ッ ドの 大 半 は1種 類 の 蛋
Ⅶ
サルモネラ菌の毒針と尻尾
白質FliGに
よっ て つ く られ るが ， その 形 成 に は数 種 類
の 微 量 蛋 白 質 （FlgB，FlgC，FlgF）
が 先 行 して っ く ら
（4）PLリ
ング複合体
る と考 え られ る 。
られ る ス イ ッ チ複 合 体 さ え も ， 蛋 白 質 輸 送 に 必 要 で あ
ロ ッ ドが 菌 体 外 に 伸 び る た め に つ く られ る リ ン グ 構
造 複 合 体 。Pリ
ン グ （FlgI）は ペ プ チ ドグ リカ ン層 と，
ン グ （FlgH） は外 膜 と接 触 して い る。 こ れ ら の 蛋
る と い う こ と は不 思 議 な こ と だ 。 しか も， そ れ ら は た
い へ ん壊 れ や す い 構 造 を して い る の だ 。 な ぜ ， そ ん な
に 柔 ら か い構 造 が 最 も大 事 な 機 能 を も っ て い るの だ ろ
白 質 は べ ん毛 蛋 白 質 の 中 で 例 外 的 に シ グ ナ ル 配 列 を も
う ？
ち ，GSPを
っ て ， べ ん 毛 モ ー タ ー に お け る蛋 白 質 輸 送 の 役 割 を 無
（5）
通 っ て ペ リ プ ラ ズ ム 空 間 に運 ば れ る18）
。
フ ツク
そ も そ も トル ク 発 生 と は何 な の か ？
ここに至
視 す る わ け に は い か な くな っ た の だ 。
ロ ッ ド とべ ん 毛 線 維 を つ な ぐ管 状 構 造 体 。 フ ッ ク は
輸 送装 置 の構成 蛋 白質 は，現 在徐 々 に同定 が進 んで
試 験 管 内 で は1種 類 の 蛋 白 質 （FlgE） か ら 自 己形 成 さ
い る 。 輸 送 装 置 の構 造 は壊 れ や す い た め ま だ そ の 全 容
れ るが ， 生 体 内 で は補 助 蛋 白 質FlgDに
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期 遺 伝 子 の 大 半 は これ らの 構 造 体 を つ くる の に使 わ れ
べ ん 毛 モ ー タ ー の トル ク 発 生 に直 接 関 与 す る と考 え
れ る17）
。
Lリ
5
む 。 フ ッ ク の 長 さ が55nmに
か らな い ），FlgDはHAP1（FlgK）
た が っ て ，FlgDは
よって 重 合 が進
達すると （
理 由 は まだ わ
と置 換 され る。 し
ス キ ャ ッ フ ォ ー ル ド蛋 白質 だ19）
。
は不 明 だ が ， 急 速 凍 結 法21）に よ っ てCリ
中 に 見 つ か っ たCロ
グ やCロ
ング複 合 体 の
ッ ドが そ の 最 有 力 候 補 だ。Cリ
ン
ッ ドの構 造 解 析 か ら， トル ク発 生 に関 す る新
た な情 報 が 得 られ る だ ろ う。
フ ッ ク が 完 成 す る と， そ れ ま で 発 現 が 抑 制 さ れ て い
さ て ， べ ん 毛 蛋 白 質 が 病 原 性 因 子 と共 通 性 を もつ の
た フ ラ ジ ェ リ ン な どの 後 期 遺 伝 子 が 発 現 さ れ ， 輸 送 装
は ， この 輸 送 装 置 の 部 分 で あ る 。 そ うす る と， フ ラ ジ
置 の 蛋 白質 選 択 性 も切 り替 わ る。
ェ リ ンや フ ッ ク 蛋 白 質 は も と も と分 泌 蛋 白 質 だ っ た の
（6）
だ ろ うか ？
べん毛線 維
フ ッ ク の 先 に微 量 のHAP1とHAP3（FlgL）
が付 着
す る と， 線 維 形 成 が 始 ま る。 べ ん毛 線 維 は試 験 管 内 で
は ， 構 成 蛋 白 質 フ ラ ジ ェ リ ン （FliC）が 自己 集 合 して
で き る 。 しか し， 生 体 内 で は 補 助 蛋 白 質
（FliD） が な
べ ん毛 基 部 体 に そ っ く りだ け れ ど針 状 を し て い る ニ
け れ ば ， フ ラ ジ ェ リ ン は 単 量 体 の ま ま培 地 中 に 放 出 さ
ー ドル 構 造 体 は20年
れ る。FliDは
ニ ー ドル 構 造 体 は べ ん 毛 基 部 体 の 中 間 体 と混 同 さ れ て
常 に線 維 の 成 長 先 端 に つい てい るので ， キ
べ ん 毛 構 築 経 路 を細 か く紹 介 した の に は 理 由 が あ る。
た か ら だ 。 ひ と つ は"蛋
。発見 当初 ，
い た のだ22）
。 しか し， それ が 病 原 性 因 子 の輸 送 装 置 で あ
ャ ッ プ 蛋 白質 と も よ ば れ る20）
。
そ れ は， こ の研 究 が さ ら に2つ
も前 か ら知 られ て いた
の 研 究 に発 展 して い っ
白質輸 送装置 ” の正体 解明 に
手 が か り を与 え， も う ひ とつ は"ニ
ー ドル 構 造 体 ” の
発 見 に つ な が った の だ 。
る とわ か る まで に は 長 い 道 の りが あ っ た 。 その 経 緯 に
つ い て は 『バ ク テ リアの べ ん 毛 モ ー タ ー 』（PNEモ ノグ ラ
フ）23）
に書 い た の で ， お 読 み い た だ けれ ば 幸 い で あ る。
さて ，90年
代 に入 り病 原 性 遺 伝 子 の解 析 が急 激 に進
んだ。 い ろい ろな病原 菌 の病 原性遺 伝 子 の間で配 列相
同 性 が 見 つ か りは じ め た 。 さ ら に ， そ れ ま で ま っ た く
Ⅵ.べん毛蛋白質専用輸送装置
異 な る もの と し て 取 り扱 わ れ て い た ， 動 物 性 病 原 菌 と
植 物 性 病 原 菌 さ え 共 通 の 感 染 メ カ ニ ズ ム を もつ こ とが
べ ん 毛 構 築 経 路 を探 る なか で 明 らか に な っ た こ とは ，
構 築 に必 要 な40あ
ま りの 遺 伝 子 の うち， 約 半 数 が 初 期
の段 階 で 使 わ れ て い る こ とだ。 完 成 した べ ん毛 に は， ス
示 唆 され ， 分 泌 蛋 白質 関 連 の 論 文 を集 中 して 掲 載 し て
い た 雑 誌Mol.Microbiol.に
は毎 号 同 様 の発 見 が報 告 さ
れ ， 活 況 を呈 し た 。
イ ッチ 複 合 体 や ら輸 送 装 置 が 細 胞 質 側 に発 見 され る。 し
さ ら に不 思 議 な こ と に， 病 原 性 と は無 関 係 の は ず の
か し， 初 期 遺 伝 子 の 欠 損 株 で は， 電 子 顕 微 鏡 観 察 で 最
べ ん 毛 遺 伝 子 に も相 同性 を も つ こ とが 指 摘 され は じ め
小 の 構 造 体MSリ
ング 複 合 体 しか 見 いだ せ な い9）
。 スイ
ッチ 複 合 体 や 輸 送 装 置 は 壊 れ や す い 構 造 体 な の だ 。 初
た 。 べ ん 毛 初 期 蛋 白 質 の な か で もFliIは ，ATPase活
性 を もち輸 送 装 置 の一 部 で あ る と考 え られ る24）
と同 時 に，
5
6
蛋 白質 核 酸 酵素 Vol．44 No．1（1999）
針 ” の 役 割 を す る と考 え られ
る。 この ニ ー ドル 部 分 は機 械
的 刺 激 に弱 い ら し く， し ば し
ば精 製 の 過 程 で な くな っ て し
まう （
図2B）
。 サル モネ ラ菌
の 外 毒 素 は常 に た れ 流 し て い
る の で は な く"接 触 誘 導 に よ
る分 泌 ” を行 な うが ， ニ ー ド
ル の この折 れや すい性 質 に関
係 し て い る か も しれ な い 。
接 触誘 導 に よって外毒 素 が
図2精
2％PTA負
ホス ト細 胞 に注 入 され る と， ホ
製 し た ニ ー ドル 構 造 体 の 電 子 顕 微 鏡 写 真
染 色。 （A）精製 した ニ ー ドル 構 造 体 。 （B）ニ ー ドル の な い基 部 体 。 リン グ 状 構 造 が
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見 え る。 （C）精 製 の 途 中 で 見 られ る ニ ー ドル 構 造 体 と そ の凝 集 体 。
ス ト細 胞 の 膜 の 裏 打 ち構 造 が
再編 成 され， ア メーバ状 運 動
を し て 接 触 して い るバ ク テ リ
病 原 性 遺 伝 子 のinvCやspa47と
の 相 同 性 も指 摘 され
だ と考 え られ る27）
。
ニ ー ドル 構 造 体 の発 見 は病 原 性 理 解 の 新 た な 出 発 点
た の だ25）
。
ニ ー ドル 構 造 体 は 病 原 性 因 子 で は な い か ？
ア を 呑 み込 む 。 これが 感 染 の 第1歩
筆者 ら
に す ぎな い。 接 触 感 染 の メ カ ニ ズ ム解 明 のた め に は， さ
はべ ん 毛 基 部 体 と同 様 の 方 法 を用 い て ニ ー ドル 構 造 体
ら に多 くの 実 験が 必 要 だ 。 幸 い ， 研 究 が 先 行 し て い る
を精 製 し た （
図2） 。 そ し て ， そ の 主 要 構 成 蛋 白 質 の 配
べ ん 毛 で は ， 多 くの情 報 の蓄 積 が あ る。 そ れ を基 に す
列 を調 べ た と こ ろ， 筆 者 らが 期 待 した と お り， そ れ ら
は 病 原 性 蛋 白 質 で あ るInvG，PrgK，PrgHだ
った の
表1類
似 す るべ ん毛 蛋 白質 と病 原性 因子 の 対 応
だ26）
。
発 見 の 経 緯 か ら も わ か る よ う に， ニ ー ドル 構 造 体 と
べ ん 毛 基 部 体 は構 造 的 に よ く似 てい る。2つ の構 造 体 が
最 も大 き く異 な るの は， フ ックの か わ りに長 さ80nmも
の ニ ー ドル 状 線 維 が 突 き 出 て い る こ と だ （
図3） 。 こ の
ニ ー ドル 部 分 は ホ ス ト細 胞 に毒 素 を注 入 す るた め の"毒
対 応 す る 蛋 白 質 の ア ミノ酸 配 列 に は相 同 性 が 見 られ る。 分 子 全 体
を 比較 す る と， そ の 値 は低 い （20∼30％ ） が ， 部 分 的 に は特 徴 的
な相 同配 列 を も って い る。 ま た， こ れ らの 蛋 白質 を コー ドす る遺
伝 子 のGC含 量 （40％）が ， 他 の 染 色 体 遺 伝 子 よ り低 い こ とか ら，
べ ん毛 遺伝 子 と病 原 性 遺 イ
云子 は外 来 性 の 遺 伝 子 で は な いか といわ
図3べ
6
ん 毛 モ ー タ ー と ニ ー ドル 構 造 体 の 模 式 図
れ て い る。
サルモネ ラ菌の毒針 と尻尾
れ ばニ ー ドル構造 体 の形 態形 成 や外 毒素 分 泌 に関 して
4)Pugsley,A.P.:Microbiol.Rev.,57,50-108(1993)
も早期 に解明 され るだ ろう。 参考 のた め に， 類似 す る
5）
べ ん毛蛋 白質 と病 原性 因子 を対応 させ た一 覧表 を掲 げ
6)Kutsukake,K.:Mol.Gen.Genet.,254,440-448
相 沢 慎 一
7
： 日 本 物 理 学 会 誌 ，52，8-14（1997）
(1997)
る （
表1）。
7）
沓 掛 和 弘
：化 学 と 生 物 ，35，828-834（1997）
8)Suzuki,T.,Iino,T.,Horiguchi,T.,Yamaguchi,
S.:J.Bacteriol.,133,904-915(1978)
お わ り に ま っ た く機 能 の 異 な る2つ の 構 造 体 ， す な
9)Kubori,T.,Shimamoto,N.,Yamaguchi,S.,
Namba,K.,Aizawa,S.-L:J.Mol.Biol.,226,433-
わ ち 回転 す る運 動 器 官 で あ る べ ん 毛 モ ー タ ー と毒 素 分
泌 装 置 で あ る ニ ー ドル 構 造 体 が 酷 似 して い る の は驚 く
446(1992)
10)Aizawa,S.-L,Kubori,T.:GenestoCells,3,1-10
(1998)
べ き こ とだ 。 さ らに， 両 者 の 遺 伝 子 を比 較 して み る と，
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と も に外 来 遺 伝 子 に 由 来 し， 共 通 の 祖 先 か ら派 生 した
11)Macnab,R.M.:inEscheyichiacoliandSalmonella typhimurium:Cellular
and Molecular
構 造 体 で あ る こ とが わ か る 。 冒頭 に述 べ た よ うな ， ま
logy(ed.Neidhardt,F.C.,Ingraham,J.L.,Low,
っ た く異 な っ て 見 え た2つ
K.B.,Magasanik,B.,Schaechter,M.,Umbarger,
の 顔 が， 分 子 レ ベ ル で は 共
H.E.),pp.123-145,American
通 だ っ た の だ 。 この こ と は機 能 に お い て 不 可 解 な 謎 を
解 く う え で 新 た な視 点 を 与 え る。 ひ ょっ とす る と， ニ
ー ドル も回 っ て い るの か ？ 昔 は べ ん 毛 モ ー タ ー も外
Bio-
Society for Micro-
biology,Washington,D.C.(1996)
12)Aizawa,S.-L:Mol.Microbiol.,19,1-5(1996)
13)Ueno,T.,Oosawa,K.,Aizawa,S.-L:J.Mol.
毒 素 を分泌 してい たの かナ ？
Biol.,227,672-677(1992)
筆 者 ら の 論 文 が 発 表 さ れ て ま もな く， ニ ー ドル 構 造
体 の 精 製 方 法 に つ い て 世 界 各 国 の 病 原 菌 研 究 者 か らE
14)Francis,N.R.,Sosinsky,G.E.,Thomas,D.,De
Rosier，D．J．
メ ー ル に よ る質 問 が 殺 到 した 。 現 在 ， 世 界 中 で さ ま ざ
ま な 病 原 菌 の ニ ー ドル 構 造 体 が 解 析 され て い る はず だ 。
：J.Mol.Biol.，235，1261-1270（1994）
15)Ohnishi,K.,Fan,F.,Schoenhals,G.J.,Kihara,M.,
Macnab，R．M．
：J.Bacteriol.，179，6092−6099（1997）
16)Fan,F.,Ohnishi,K.,Francis,N.R.,Macnab,R.
M． ：Mol.Microbiol.，26，1035-1046（1997）
筆 者 ら も東 大 医 科 研 の 笹 川 研 究 室 との 共 同 研 究 で ， 赤
17)Jones,C.J.,Macnab,R.M.,Okino,H.,Aizawa,
痢 菌 の ニ ー ドル 構 造 体 を解 析 中 で あ る 。 近 い う ち に 病
原 性 因 子 輸 送 系 と よ ば れ て い た もの の 実 体 が 見 え て く
S．-I．：J.Mol.Biol.，212，377-387（1990）
18）Schoenhals，G．L，Macnab，R．M。:J.Bacteriol，,
る だ ろ う。 そ れ に よ っ て 病 原 菌 とホ ス ト細 胞 の 接 触 感
染 の メ カ ニ ズ ム も明 か され る だ ろ う。 さ ら に そ の 成 果
は ， サ ル モ ネ ラ菌 の2つ
の 顔 の切 替 え の 仕 組 み な ど明
178,4200-4207(1996)
19)Ohnishi,K.,Ohta,Y.,Aizawa,S.-L,Macnab,R.
M.,Iino,T.:J.Bacteriol.,176,2272-2281(1994)
20）Ikeda，T．
らか に し ， こ の 単 純 な生 命 体 の 変 化 に富 ん だ 生 き様 を
理 解 す る手 が か り とな るの で は な い か と期 待 して い る。
この総 説 は ， 長 年 の 共 同 研 究 者 で あ る永 井 （久 堀 ） 智 子 さん の
仕 事 が 中 心 に な って い ます 。 ま た ， ニ ー ドル 構 造 体 の 解 析 は帝 京
大 学 理 工 学 部 バ イ オ サ イ エ ンス 学 科 の4年
の お か げで 完 成 し ま した。CGは
生諸君の精力的な仕事
永 田 雅 巳 くん の作 品 で す 。 み な さ
，Oosawa，K．
：J.Mol.Biol.，
21)Katayama,E.,Shiraishi,T.,Oosawa,K.,Baba,
N.,Aizawa,S.-L:J.Mol.Biol.,255,458-475
(1996)
22）
飯 野 徹 雄
・鈴 木 孝 仁
23）
相 沢 慎 一
：バ ク テ リ ア の べ ん 毛 モ ー タ ー
グ ラ フ ），共 立 出 版
ん に心 か ら感 謝 し ます 。
，Hotarli，H．
259,679-686(1996)
：細 胞 ，8，112-124（1976）
（PNEモ
ノ
（
ユ998）
24)Dreyfus,G.,Williams,A.W.,Kawagishi,L,Macnab,R.M.:J.Bacteriol.,175,3131-3138(1993)
文
1）
献
遠 藤 弥 重 太 ：蛋 白 質
25)Galan,J.E.:Mol.Microbiol.,20,263-271(1996)
核酸
酵 素 ，42，652-659（1997）
2)Groisman,E.A.,Ochman,H.:Trends 5,343-349(1997)
3)Hueck,C.J.:Microbiol.Mol.Biol.Rev.,62,379433(1998)
Microbiol.,
26)Kubori,T.,Matsushima,Y.,Nakamura,D.,Urali,
J.,Lara-Tejero,M.,Sukhan,A.,Galan,J.E.,
Aizawa,S.-I:Science,280,602-605(1998)
27)Ginocchio,C.C.,Olmsted,S.B.,Wells,C.L.,
Galan,J.E.:Cell,76,717-724(1994)
7