ドメインスワッピング機構によるタンパク質超分子化

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化学と生物 Vol. 54, No. 5, 2016

タンパク質が構造領域の一部を分子間で交換することでパズルのようにつながる

タンパク質の多くは，生体内で多量体や複合体などの超分子となって機能している．タンパク質超分子化にはさまざまな機構があるが，本稿では近年注目されているドメインスワッピングを取り上げる．ドメインスワッピングは，Eisenbergらによってジフテリアトキシンの2 量化機構として見いだされた⁽¹⁾．ジフテリアトキシンは，2分子間で構造領域の一部を交換することでまるでパズルのように2量体を形成した．このように，タンパク質が構造領域の一部を分子間で交換することで超分子化する機構がドメインスワッピングである．Eisenberg らの報告以降，次々とドメインスワッピングにより超分子化するタンパク質が明らかとなっている．

ドメインスワッピングによるタンパク質超分子化は，

生理学的観点からも注目されている．セルピン病に関連する

α

1-antitrypsinがドメインスワッピングにより連続的に多量化することがYamasakiらにより報告された⁽²⁾．また，Liuらは透析アミロイド症にかかわる

β

2-micro- globulinがドメインスワッピングにより多量化し，アミロイド繊維となることを報告した⁽³⁾．これらの報告などにより，ドメインスワッピングによるタンパク質超分子

化が，タンパク質の構造変性がかかわる疾病とも関連することが示唆されている．

われわれは，生物エネルギー代謝系の電子伝達ヘムタンパク質であるシトクロム（cyt ）がドメインスワッピングにより超分子化することを見いだした⁽⁴⁾．ウマ cyt の2量体および3量体のX線結晶構造解析から，

cyt がC末端

α

-ヘリックスを分子間で交換することで超分子化することが明らかとなった（図1_）_{．ドメイン} スワッピングによる超分子ではメチオニン配位子がヘム鉄から解離し，cyt は電子伝達能を失った．さらに，

ヘムタンパク質であり酸素貯蔵機能をもつミオグロビン

（Mb）もドメインスワッピングにより超分子化することを明らかにした⁽⁵⁾．MbはF‒Hヘリックス領域を分子間で交換し，EとFヘリックス間のループがつながって1 本の長い

α

-ヘリックスになり，2量体を形成した（図 1）．これらの研究により，生体内で重要な機能を担うヘムタンパク質もドメインスワッピングにより超分子化することが明らかとなった．

現在，われわれはドメインスワッピングによるヘムタンパク質の超分子化をさまざまな角度から研究してい

図1^■Cyt およびMbのドメインスワッピングによる超分子化

上段左からcyt 単量体，2量体，3量体，下段左からMb単量体，2量体．それらの模式図も構造の下に示した．

日本農芸化学会

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る．その一部を紹介する．ウマcyt と3次構造とヘム配位構造は似ているが，分子量が小さい好熱性水素細菌 cyt 552（HT cyt 552）の超分子化を調べた．その結果，HT cyt 552もドメインスワッピングにより超分子化するが，分子間での交換領域はN末端

α

-ヘリックスとヘムを含む領域で，ウマ cyt の場合と異なることがわかった⁽⁶⁾．交換領域の違いはタンパク質ごとの内部相互作用の違いに起因すると考えられる．HT cyt 552は好熱菌由来でその単量体の熱安定性は高いが，HT cyt 552 2量体もウマcyt 2量体よりも熱に安定であった．これは，単量体の安定性がドメインスワッピングにより形成される2量体の安定性に関係することを示している．ドメインスワッピングでは構造領域の一部を交換することで超分子化するので，

単量体と2量体で多くの相互作用が保存され，単量体の安定化因子が2量体の安定性にも寄与するのは当然とも言える．

ドメインスワッピングによる超分子化をタンパク質工学的な分子デザインへ応用する試みも行っている．上述のようにMbのドメインスワッピング2量体では，2つのサブユニットの各E‒Fループ部分が

α

-ヘリックスとなり逆平行に並んでいる．そこで，この部分に存在する塩橋を改変した2種類の変異体を作ることで，異なる Mb変異体からなる2量体を構築することに成功した⁽⁷⁾．塩橋の改変と並行してヘム周辺環境も改変することで，

分子内に異なる2種類のヘム中心をもつ人工ヘムタンパク質を作製した．このように，ドメインスワッピング超

分子の構造を鋳型として新たな超分子の構築が可能であることが示された．また，HT cyt 552よりも熱安定な超好熱菌 cyt 555（AA cyt 555）を材料にドメインスワッピングによる2量体を作製することで，幅広いpH領域や熱に対して安定なタンパク質超分子の構築にも成功した⁽⁸⁾．AA cyt 555単量体にはCOや CN⁻などの外因性リガンドは結合しないが，AA cyt

555 2量体はこれらの外因性リガンドを結合する能力を新たに発現していた．AA cyt 555 2量体のX線結晶構造を見てみると，タンパク質表面からヘム中心へ通じるチャネルが形成されており（図2_）_{，ドメインスワッピ} ングによるタンパク質超分子化によって，タンパク質の機能も改変できる可能性が示された．

タンパク質が構造領域の一部を交換することでパズルのようにつながるドメインスワッピングは現象としてたいへん興味深い．ドメインスワッピングがどのようにして起こるのかその詳細な機構はいまだ不明な部分も多いが，本稿で紹介したように，タンパク質内部の相互作用が交換領域や多量体の安定性と関係していることなど，

最近の研究からドメインスワッピングについてわかってきた部分も多く，新たなタンパク質超分子をデザインすることも可能になってきた．ドメインスワッピングによるタンパク質超分子化は，タンパク質の構造や機能を自由自在にデザインする手法としての可能性を秘めており，今後の展開が楽しみである．

1) M. J. Bennett, S. Choe & D. Eisenberg:

, 91, 3127 (1994).

2) M. Yamasaki, W. Li, D. J. Johnson & J. A. Huntington:

, 455, 1255 (2008).

3) C. Liu, M. R. Sawaya & D. Eisenberg:

, 18, 49 (2011).

4) S. Hirota, Y. Hattori, S. Nagao, M. Taketa, H. Komori, H.

Kamikubo, Z. Wang, I. Takahashi, S. Negi, Y. Sugiura

: , 107, 12854 (2010).

5) S. Nagao, H. Osuka, T. Yamada, T. Uni, Y. Shomura, K.

Imai, Y. Higuchi & S. Hirota: , 41, 11378 (2012).

6) Y. Hayashi, S. Nagao, H. Osuka, H. Komori, Y. Higuchi &

S. Hirota: , 51, 8608 (2012).

7) Y. W. Lin, S. Nagao, M. Zhang, Y. Shomura, Y. Higuchi

& S. Hirota: , 54, 511 (2015).

8) M. Yamanaka, S. Nagao, H. Komori, Y. Higuchi & S. Hi- rota: , 24, 366 (2015).

（山中優，廣田俊，奈良先端科学技術大学院大学物質創成科学研究科）

図2■AA cyt 555単量体と2量体の表面比較

2量体ではヘムに通じるチャネル（矢印）が形成されている．

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化学と生物 Vol. 54, No. 5, 2016 プロフィール

山中優（Masaru YAMANAKA）

＜略歴＞2010年広島大学大学院生物圏科学研究科博士課程修了／同年自然科学研究機構岡崎統合バイオサイエンスセンター博士研究員を経て2012年奈良先端科学技術大学院大学物質創成科学研究科助教，現在に至る＜研究テーマと抱負＞人工タンパク質を用いたナノマシンの創成＜趣味＞クラフトビール

廣田俊（Shun HIROTA）

＜略歴＞1995年総合研究大学院大学数物科学研究科博士後期課程修了／日本学術振興会特別研究員，エモリー大学化学科博士研究員，名古屋大学大学院理学研究科助手，京都薬科大学助教授を経て2007年奈良先端科学技術大学院大学物質創成科学研究科教授，現在に至る＜研究テーマと抱負＞タンパク質超分子の創成，金属タンパク質の分光学的研究＜趣味＞旅行，卓球

＜研究室ホームページ＞http://mswebs.

naist.jp/LABs/hirota/index.html

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