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~

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(※1)イメージングにより,天然変性タンパク質(IDP)(※2)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(図1)。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(図2)。

本研究成果により,これまで曖昧にしか捉えられなかったIDPの構造を詳細に把握することが可能となったため,秩序構造から成る従来のタンパク質と同様に,IDPの構造と機能の関係の理解が進むものと期待されます。また,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できることから,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. 安定した秩序構造をとる従来型のタンパク質(左)と安定した秩序構造をとらない天然変性タンパク質(IDP)(右)

 

 

図2.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定まっ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天然変性領域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天然変性領域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,kOD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の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。

 

詳しくはこちら

Nature Nanotechnology

研究者情報:安藤 敏夫

研究者情報:古寺 哲幸

 

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