136 化学と生物 Vol. 53, No. 3, 2015
黄色ブドウ球菌の 2 成分性膜孔形成毒素 γ ヘモリジンの膜孔形成メカニズム
失敗から明らかになった毒素の戦略
多くの病原性細菌は，宿主の赤血球を破壊するため に，膜孔形成毒素と呼ばれるタンパク質を分泌する．膜 孔形成毒素は，可溶性の単量体タンパク質として分泌さ れるが，赤血球に接すると，細胞膜上で膜孔中間体と呼 ばれる円状の会合体を形成した後，大きく形を変えて膜 孔と呼ばれる孔を空けて赤血球を殺傷する(1)（図1）．興 味深いことに，膜孔を形成して細胞を殺傷するという手 段は，哺乳類の免疫系においても用いられており，した がって，膜孔形成はさまざまな生物が普遍的に用いる攻 撃の戦略であると言える(2)．さらに，膜孔を分子が通過 するときに生じる電位の変化を利用して，膜孔形成毒素 はナノデバイスとして応用されており，実際にDNA シーケンサーが開発されつつある(3, 4)．このように，膜 孔形成毒素は生命科学的だけでなく，工学的にも重要な タンパク質である．
数ある膜孔形成毒素の中で，古くから研究されてきた ものの一つが黄色ブドウ球菌の膜孔形成毒素である．黄 色ブドウ球菌は院内感染の原因菌として広く知られる細 菌であり，複数の種類の膜孔形成毒素を分泌して血球細 胞を破壊する．黄色ブドウ球菌が分泌する膜孔形成毒素 は主に2種類に分類される．一つは，1種類のタンパク 質の会合体として膜孔を形成する1成分性膜孔形成毒素 で，
α
-ヘモリジンがこれに該当する．もう一つは，2種 類のタンパク質が会合して初めて溶血活性を示す，2成 分性膜孔形成毒素でγ
-ヘモリジンやロイコシジンがこれ に分類される．これらのメカニズムの解明に向け，さま ざまな研究が行われてきたが，X線結晶構造解析により 初めて原子構造が決定されたのは，1成分性毒素のα
-ヘ モリジンの膜孔であった（図1．Song （1996）の構 造）(5)．α
-ヘモリジンの膜孔はキノコ型の7量体の分子 で，β
-バレル型の膜貫通領域を有していた．その後，2 成分性毒素の単量体の結晶構造が次々に発表され(6〜8)， 膜孔形成に伴う構造変化の詳細が明らかになってきた（図1）．すなわち，単量体では折り畳まれていたステム 領域が，膜孔では大きく飛び出し，ほかのプロトマーと 会合して筒状の膜貫通領域を形成するのである．
ここまでが明らかになった頃に，膜孔の形について大 きな疑問が生じた．1成分性の
α
-ヘモリジンは7量体の膜孔だったが，2成分性毒素の膜孔も
α
-ヘモリジンと同 様の7量体構造，すなわち，2つの成分であるにもかか わらず奇数個のプロトマーが会合するのか，それとも偶 数個のプロトマーから構成されるのかという疑問であ る．プロトマーの数については，20年近くにわたって 論争が繰り広げられたが，2011年に2成分性膜孔形成毒 素のγ
-ヘモリジンの結晶構造が8量体であったことで決 着がついた（図1. Yamashita （2011）の構造）(9)．γ
-ヘモリジン膜孔は，2つの成分（LukFとHlg2）がそ れぞれ交互に円状に会合して8量体を形成していた．そして最近，
γ
-ヘモリジンの膜孔中間体の結晶構造が 決定された（図1. Yamashita （2014）の構造）(10)． これにより，単量体から膜孔中間体へと会合し，膜孔を 形成する一連の構造変化の詳細が明らかになった．膜孔 中間体の構造は，膜孔と非常に類似していたが，β
-バレ ルの上部だけが形成されており，下部の膜貫通領域は構図1■黄色ブドウ球菌の膜孔形成毒素の作用機構の模式図（上 図）と，各状態の結晶構造解析の歴史（下図）
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造を形成していなかった．これは，
β
-バレルの上側と下 側が別々に形成されることを意味しており，膜孔中間体 ができたときには，β
-バレルの上半分はすでにできあ がっていて，膜孔を形成するときには，実際に膜に突き 刺さるβ
-バレルの下半分だけが構造変化をするのであ る．膜孔は強い界面活性剤であるドデシル硫酸ナトリウ ム（SDS）存在下でも解離しない非常に安定な構造を有 するため，β
-バレルは一つの構造単位と考えられてきた が，実は上下半分ずつ徐々に構築されるということは驚 きであった．このように，膜孔，膜孔中間体の構造が立て続けに決 定されたことで，動的な分子メカニズムが一気に明らか になった．しかし，これらの構造解析の成功の陰には，
非常に重要な実験の失敗が存在することを最後に述べた いと思う．上述のとおり，膜孔形成毒素のうち，最初に 構造が決定されたのは，
α
-ヘモリジン（1成分性毒素）の膜孔であった．だとすると，膜孔形成の分子メカニズ ムを解明するには，
α
-ヘモリジンの単量体の構造解析を すれば良いと思った読者の方も多いと思う．同様に考 え，Tanakaらはα
-ヘモリジン単量体の構造解析に取り 組んだが，MPD（2,4-ジメチルペンタンジオール）の存 在下で得られた結晶の構造は7量体の膜孔であった（図 1. Tanaka （2011） の 構 造）(11)．こ の 結 果 か ら，Tanakaらは，MPDが膜孔を自発的に形成する作用をも つ分子であることを見いだし，これを2成分性毒素の構 造解析に応用したのである．失敗とも言えるような結果 にヒントを得て，より困難な2成分性毒素の膜孔・膜孔 中間体の構造解析を達成させたことは，些細なことを見 逃さずに追求することの重要性を示す良い例と言える．
一連の研究により，単量体から膜孔に至る構造変化の 詳細が明らかになった．先述のとおり，膜孔は分子デバ イスとして応用されている．今後は，一連の研究により 明らかになった分子の動きを利用し，動く分子デバイス が開発されることを期待している．また，1成分性の膜 孔形成毒素については，単量体と膜孔中間体の構造がい
まだに決定されていない（図1. クエスチョンマークの 部分）．さらに詳しく膜孔形成現象を理解するためには，
これらの構造決定が重要となる．何らかの工夫を凝ら し，成功させたいと思う．
1) I. Iacovache, F. G. van der Goot & L. Pernot:
, 1778, 1611 (2008).
2) M. C. Peitsch & J. Tschopp: , 3, 710 (1991).
3) Y. Astier, O. Braha & H. Bayley: , 128, 1705 (2006).
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& J. E. Gouaux: , 274, 1859 (1996).
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, 6, 134 (1999).
7) J. D. Pedelacq, L. Maveyraud, G. Prevost, L. Baba-Mous- sa, A. Gonzalez, E. Courcelle, W. Shepard, H. Monteil, J.
P. Samama & L. Mourey: , 7, 277 (1999).
8) V. Guillet, P. Roblin, S. Werner, M. Coraiola, G. Menestri- na, H. Monteil, G. Prevost & L. Mourey: , 279, 41028 (2004).
9) K. Yamashita, Y. Kawai, Y. Tanaka, N. Hirano, J. Kaneko, N. Tomita, M. Ohta, Y. Kamio, M. Yao & I. Tanaka:
, 108, 17314 (2011).
10) D. Yamashita, T. Sugawara, M. Takeshita, J. Kaneko, Y.
Kamio, I. Tanaka, Y. Tanaka & M. Yao: , 5, 4897 (2014).
11) Y. Tanaka, N. Hirano, J. Kaneko, Y. Kamio, M. Yao & I.
Tanaka: , 20, 448 (2011).
（田中良和，北海道大学大学院先端生命科学研究院）
プロフィル
田中 良和（Yoshikazu TANAKA）
＜略歴＞1999年東北大学工学部生物化学 工学科卒業／2004年同大学大学院工学研 究科生物工学専攻博士課程後期修了／同年 北海道大学大学院理学研究科博士研究員／
2006年東京大学大学院新領域創成科学研 究科博士研究員／2008年北海道大学創成 研究機構テニュアトラック特任助教／2012 年同大学大学院先端生命科学研究院准教授
＜研究テーマと抱負＞タンパク質の構造機 能解析＜趣味＞野球・ゴルフ
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