金沢大学 ナノ生命科学研究所

天然変性タンパク質の動的かつ多様な構造の定量的解析に成功 ~天然変性タンパク質の理解に新しい道を拓く~

【本研究成果のポイント】

  • 全タンパク質の約半数を占める天然変性タンパク質の構造は,いくつもの状態の間で大きく揺らぐため,従来手法による構造解析は難しく,その理解は遅れている。
  • 高速AFMによる可視化は天然変性タンパク質の動的構造の定量的解析を可能にした。
  • 定量的解析により,天然変性タンパク質の構造機能相関の理解が進み,天然変性タンパク質の異常により起こる疾病の理解と治療薬の開発に道が拓けることが期待される。

 

金沢大学ナノ生命科学研究所の安藤敏夫特任教授,古寺哲幸教授らは,高速AFMイメージングにより,天然変性タンパク質(IDP)の動的構造を高い精度で解析することに成功しました。

約20年前に発見され,現在ではタンパク質全体の約半分を占めると推定されているIDPは分子全体,あるいは,一部の大きな領域が秩序だった構造をとりません。にもかかわらず,広範な生命現象に重要な役割を果たしています。しかし,大きく揺らぐIDP分子の姿・形を詳しく知る手段がないために,IDPの理解は通常のタンパク質に比べ非常に遅れています。

本研究グループは,個々のIDP分子を高速AFMで観察し,その分子映像の解析により,従来手法よりもはるかに具体的,かつ,アミノ酸レベルの高い精度で定量的に動的な構造を解明することに初めて成功しました。これまで曖昧にしか捉えられなかったIDPの構造を詳細に知ることができるようになったため,秩序構造から成る従来のタンパク質と同様に,構造と機能の関係の理解が進むものと期待されます。Rett症候群に代表されるような病気につながるIDPの構造異常も容易に捉えることが可能になったことから,分子レベルでの病理の理解と治療薬開発の進展も期待されます。

本研究成果は,2020年11月23日(英国時間)に英国科学誌「Nature Nanotechnology」のオンライン速報版で公開されました。

 

図1.高速AFM解析で得られた三種のIDPの構造とダイナミクス。図中の赤で示した部分はαヘリックスないしは緩くフォールドした構造を,水色で示した部分はフォールドした構造をとっていない天然変性領域を示す。上のパネルはフォールドした構造状態を,下のパネルはアンフォールドした構造状態を示す。赤字の数値はフォールドした構造に含まれるアミノ酸数を,青字の数値はアンフォールドした構造に含まれるアミノ酸数を示す。赤の矢印は高さの変化から判断される遷移を,青の矢印はアンフォールドした構造の両端距離の変化から判断される遷移を示す。Keの値はフォールドしやすさを示す。kODはフォールド状態からアンフォールド状態への遷移速度を,kDOはアンフォールド状態からフォールド状態への遷移速度を表わす。

【用語解説】

※1 高速AFM
高速原子間力顕微鏡(高速Atomic Force Microscopy)。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。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。

※2 天然変性タンパク質(IDP)
Intrinsically Disordered Proteins。整った三次元構造を持たないタンパク質。全タンパク質の約半数を占め,生体内で重要な役割を果たすことが知られているが,従来手法による構造解析が難しく,その理解は遅れている。

【掲載論文】

雑誌名:Nature Nanotechnology

論文名:Structural and dynamics analysis of intrinsically disordered proteins by high-speed atomic force microscopy

(天然変性タンパク質の構造とダイナミクスの高速AFMによる解析)

著者名:Noriyuki Kodera1, Daisuke Noshiro1, Sujit K. Dora2, Tetsuya Mori3, Johnny Habchi4, David Blocquel4, Antoine Gruet4, Marion Dosnon4, Edoardo Salladini4, Christophe Bignon4, Yuko Fujioka5, Takashi Oda6, Nobuo N. Noda5, Mamoru Sato6, Marina Lotti7, Mineyuki Mizuguchi8, Sonia Longhi4,* and Toshio Ando1,*
(古寺 哲幸,能代 大輔,Sujit K. Dora,森 哲哉,Johnny Habchi,David Blocquel,Antoine Gruet,Marion Dosnon,Edoardo Salladini,Christophe Bignon,藤岡 優子,小田 隆,野田 展生,佐藤 衛,Marina Lotti,水口 峰之,Sonia Longhi,安藤 敏夫)

  1. 金沢大学ナノ生命科学研究所
  2. 金沢大学理工研究域数物科学系
  3. 金沢大学大学院自然科学研究科数物科学専攻博士前期課程
  4. エクス=マルセイユ大学(Aix-Marseille University)・フランス国立科学研究センター(CNRS, Laboratoire Architecture et Fonction des Macromolecules Biologiques (AFMB))
  5. 微生物化学研究所
  6. 横浜市立大学大学院生命医科学研究科
  7. ミラノ=ビコッカ大学バイオテクノロジー・バイオサイエンス学科(Department of Biotechnology and Biosciences, State University of Milano-Bicocca)
  8. 富山大学薬学部

* 責任著者

掲載日時:2020年11月23日(英国時間)にオンライン速報版に掲載

DOI:10.1038/s41565-020-00798-9

【Funder】

本研究は,日本学術振興会科学研究費助成事業(基盤研究S(17H06121),新学術領域研究(21113002,26119003)),科学技術振興機構戦略的創造研究推進事業(CREST(JPMJCR13M1),さきがけ(JPMJPR13L4)),フランス国立研究機構(ANR),フランス国立科学研究センター(CNRS),国際ヒューマン・フロンティア・サイエンス・プログラム (HFSP)の支援を受けて実施されました。

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