金沢大学 ナノ生命科学研究所

世界初!高速AFMで新型コロナウイルススパイクタンパク質の分子ナノ動態を可視化!

概要

金沢大学ナノ生命科学研究所のキイシヤン・リン特任助教とナノ生命科学研究所/新学術創成研究機構のリチャード・ウォング教授らは,同ナノ生命科学研究所の華山力成教授,安藤敏夫特任教授らとの共同研究において,高速原子間力顕微鏡(高速AFM)(※1)を用いることにより,新型コロナウイルスSARS-CoV-2のスパイクタンパク質の分子ナノ動態と,スパイクタンパク質が細胞外小胞(※2)と相互作用する瞬間のナノ動態を可視化することに世界で初めて成功しました(図1

新型コロナウイルスが宿主細胞に侵入する際には,まずウイルスのスパイクタンパク質が細胞膜表面にあるアンジオテンシン変換酵素2(ACE2)に結合します。これによりウイルスは宿主細胞膜に結合し,宿主細胞内への侵入が可能となります。今回,研究グループは,スパイクタンパク質と,膜表面にACE2が発現した細胞外小胞(sEV)の間の相互作用を,高速AFMを用いてリアルタイムで可視化しました(図2)。

その結果,スパイクタンパク質の構造の不均一性と,柄の部分であるストークと受容体結合ドメイン(RBD)の柔軟性が明らかとなり,さらにpHや温度によってスパイクタンパク質の構造に変化が生じることがわかりました。特に酸性条件下では,RBDがあるスパイクタンパク質の頭部が開き,かつストーク部分が延びる現象を捉えました。また,ストーク部分がsEVの脂質膜にドッキングし,スパイクタンパク質が持つ融合ペプチドを用いてsEV内に侵入する様子も確認できました。これにより,研究グループは,阻害剤や中和抗体がウイルスに対してどのように働いているのかをリアルタイムで追うことができるプラットホームを示すとともに,ACE2発現sEVが新型コロナウイルスを中和する薬剤となり得ることも示しました。

これらの知見は,コロナウイルスSARS-CoV-2に対するワクチンや新規治療薬の開発に新たな可能性を拓くものです

本研究成果は,2021年12月7日午前10時(米国東部時間)に国際学術誌『Journal of Extracellular Vesicles』にオンライン掲載されました。

 

図1. 新型コロナウイルス感染症(COVID-19)の原因ウイルスであるSARS-CoV-2のスパイクタンパク質(Spike/S)の分子ナノ動態を,世界で初めて直接観察することに成功した。

 

図2. 概要図:高速AFMによって,コロナウイルススパイクタンパク質がアンジオテンシン変換酵素2(ACE2)と結合する際に起こる相互作用をリアルタイムで直接的に可視化した。

 

【掲載論文】

雑誌名:Journal of Extracellular Vesicles

論文名:Millisecond dynamic of SARS-CoV-2 spike and its interaction with ACE2 receptor and small extracellular vesicles

(SARS-CoV-2のスパイクのミリ秒単位の動きと,ACE2受容体や小さな細胞外小胞との相互作用)

著者名:Keesiang Lim, Goro Nishide, Takeshi Yoshida, Takahiro Watanabe-Nakayama, Akiko Kobayashi, Masaharu Hazawa, Rikinari Hanayama, Toshio Ando, Richard W. Wong

(キイシヤン・リン1,西出 梧朗2,吉田 孟史1,中山 隆宏1,小林 亜紀子3, 羽澤 勝治1,3,華山 力成1,安藤 敏夫1,リチャード・ウォング1,2,3

  1. 金沢大学ナノ生命科学研究所
  2. 金沢大学大学院新学術創成研究科ナノ生命科学専攻博士前期課程
  3. 金沢大学新学術創成研究機構

掲載日時:2021年12月7日午前10時(米国東部時間)にオンライン版に掲載

DOI: 10.1002/jev2.12170

 

【用語解説】

※1 高速原子間力顕微鏡(高速AFM)

探針と試料の間に働く原子間力を基に分子の形状をナノメートル(10-9 m)程度の高い空間分解能で可視化する顕微鏡。高速AFMは溶液中で動いているタンパク質などの生体分子をナノメートルの空間分解能とサブ秒という時間分解能で観察することが可能である。

 

※2 細胞外小胞(sEV)

細胞が分泌する脂質二重膜に覆われた小胞のこと。分泌細胞由来のタンパク質やRNAなどの核酸,脂質などを含んでおり,さまざまな細胞間情報伝達を担っている。

 

※3 核膜孔

細胞核を覆う膜にある穴である核膜孔を構成するタンパク質の集合体。普段は細胞質と核の間の物質輸送を担う。

 

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