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研究成果 「重い原子を含む新しいたんぱく质をつくる酵素の原子构造を决定」

　

东京大学　理化学研究所

1. 発表内容

「重い原子を含む新しいたんぱく质をつくる酵素の原子构造を决定」

2. 発表の概要

　 東京大学は，理化学研究所および万有製薬つくば研究所と共同で，ヨウ素という重い原子を含む人工的なアミノ酸を組み込んだ「超たんぱく質」を合成する鍵となる酵素の原子分解能での立体構造を，大型放射光施設SPring-8を利用してX線結晶構造解析によって決定しました．これに基づいて，超たんぱく質の合成法を飛躍的に進歩させることができると期待されます．この研究は，我が国で推進している「タンパク3000プロジェクト」の成果の1つです．
　地球上のあらゆる生物は，DNAのもつ遺伝情報に基づいて，細胞の中でたんぱく質を合成しています．実際に生物を形作り，生命活動をコントロールしているのは，たんぱく質であり，わずか20種類のアミノ酸（グルタミン酸やシステインなど）からできています． DNAの遺伝情報を正しくたんぱく質のアミノ酸配列に反映するために，遺伝暗号の翻訳が転移RNA (tRNA) を介して行われます．翻訳が規則正しく行われるには，特定のアミノ酸が，正しいtRNAと結びついていなければなりません．その両者を選び出して，「暗号解読表」の通りに結合させるのが，アミノアシルtRNA合成酵素と呼ばれる酵素群です（以下，合成酵素と略）．
　合成酵素を遺伝子工学的に改変すると，暗号解読表を人為的に書き換えることができます．例えば，天然で使われる20種類のアミノ酸以外の，全く新しいアミノ酸と新しいtRNAを結びつける合成酵素を作れば，新しいアミノ酸を特定の塩基配列に結びつけることができます (添付資料図1)．2002年に，我々のグループは，遺伝子工学によって作り出した合成酵素 (変異TyrRSと呼ぶ) を用いて，ヨウ素という重い原子を含む非天然のアミノ酸を，たんぱく質に自由に導入することに成功しました．これまで天然のアミノ酸の組成で最も重い原子は硫黄でしたが，ヨウ素は鉄や銅，銀よりも重く，硫黄のおよそ4倍もの大きさを持っています．このような非常に重い原子は，アミノ酸の主成分の軽い原子 (酸素，水素，窒素，炭素，硫黄) などとは性質が異なってきます．特に，電磁波に対する性質が違うので，たんぱく質，さらには生きた細胞を壊すことなく観察するための標識として有効です．現在のところ，たんぱく質の原子構造の決定にこのヨウ素を含む「超」たんぱく質が用いられようとしています．しかし，変異TyrRSがどのようにしてヨウ素のような重い原子を含むアミノ酸を認識して，tRNAに結合させるのかについては，これまでわかっていませんでした．それは，変異TyrRSの原子構造が決定されていなかったためです．そこで，我々のグループは，実際に変異TyrRSのアミノ酸とtRNAの認識の様子を，原子レベルの分解能で明らかにすることを試みました．
　東京大学（理学系研究科）と理化学研究所，万有製薬の共同研究グループは，このたびヨウ素を含む超たんぱく質の作製に用いられた変異TyrRSと，tRNA，およびヨウ素を含むアミノ酸の一種であるヨードチロシンとの複合体の立体構造を，大型放射光施設SPring-8の共用ビームラインを利用して，0.2 ナノメートル (ナノは10億分の1) という，原子レベルでの観測に成功しました (添付資料図2)．
　その結果，変異TyrRSは，鍵穴のようなポケット状のくぼみをもっていて，ヨードチロシンが，ちょうど鍵のようにその中にちょうどぴったりはまることで，tRNAとヨードチロシンの結合ができることが明らかとなりました．ヨウ素原子という大きな原子を受け入れるために，鍵穴がちょうどその大きさに合わせて広げられていて，しかもヨウ素の特有の性質に基づいて認識している様子が観察できました (添付資料図2)．一方，変異TyrRSは，チロシンという，ヨードチロシンと比べてヨウ素がないという違いしかなく，よく似た天然のアミノ酸を認識しません．この機構もまた，鍵と鍵穴のように，ヨウ素がない分だけチロシンは変異TyrRSの鍵穴にはぴったりはまらず，余ったスペースができるために認識ができないということが明らかとなりました．このように，人工的に作られたたんぱく質が巧みにヨードチロシンのような非天然の基質を認識する様子を捉えたのは世界でもほとんど類を見ない成果です．
　観测された原子构造をもとにして，変异罢测谤搁厂のアミノ酸结合ポケットをさらに人工的にデザインすることが可能になり，より新しいアミノ酸をうまく认识させることができると期待されます．こうして作られた人工的な罢测谤搁厂は，工业や医薬，癌などの诊断に役立つ超たんぱく质の生产という応用性を飞跃的に高めることができると考えられます．具体的には，罢测谤搁厂の详细な原子构造が明らかとなったことで，现在医薬品の设计に用いられている，コンピュータを用いた分子设计の方法によって，今までよりずっと高い确度で新しいアミノ酸を迟搁狈础に结合させることが可能となります．それはあらゆる新しいアミノ酸をたんぱく质の材料として用いることができる，ということにつながります．そのような新しいアミノ酸を构成要素として持つたんぱく质は，ダイオキシンなどの有害物质の分解や医薬品となる有机分子の合成を行う酵素のように工业的に有用な酵素や，生体内で働く制がんたんぱく质などの医薬品として働くような超たんぱく质の开発に大いに役立つと期待されます．医学においても，重い原子の特性を生かして，生きた细胞，さらには生体を细かく観察することができるので，癌の诊断などの応用が可能になるかもしれません．今后は，今回决定された原子构造をもとにして，それらの応用を目指して研究を进めています．

3. 発表雑誌

米科学誌  Proceedings of the National Academy of Sciences (米国科学アカデミー紀要) 2005年2月号掲載

4. 用語解説集

「顿狈础」
デオキシリボ核酸の略語．糖とリン酸からなる二本の鎖がらせん状になり，その間をアデニン (A)，グアニン (G)，シトシン (C)，チミン (T)の四種類の塩基がはしご状に並んだ構造を持つ．この塩基の並び方が遺伝情報として，「生命の設計図」を記述している．つまり，その塩基の並び方に基づいて特定のアミノ酸配列をもったたんぱく質が作り出される．

「たんぱく质」
顿狈础のもつ遗伝情报を反映して生体机能を実际に制御したり，生体を形作ったりする主要な高分子．基本材料は20种类のアミノ酸であり，それらが顿狈础の持つ情报に基づいて，规则正しく锁状につながり，折り畳まってできる．

「搁狈础」
リボ核酸の略語．DNAと同じく糖，リン酸，塩基からなるが，糖と塩基の種類が異なる．大きく分けて，伝令RNA (mRNA)，転移RNA (tRNA)，リボソームRNA (rRNA) の3種類がある．いずれも，たんぱく質の生体内での合成に関わる分子である．DNAに記録されている塩基配列としての遺伝情報は，いったん同じ塩基配列の形でmRNA に伝えられる．これを遺伝情報の転写という．後者二つは遺伝情報の翻訳に関わる．

「翻訳」，「転移搁狈础（迟搁狈础）」
伝令搁狈础に伝えられた情报は，塩基配列として存在する．それをアミノ酸配列の形に直し，たんぱく质を合成する生命现象が翻訳と呼ばれる．伝令搁狈础上の塩基配列は，暗号のようなもので，3塩基ごとに区切ることができる．それぞれの叁つ组塩基の配列がひとつのアミノ酸を规定しているが，その対応関係を与えるアダプターが転移搁狈础（迟搁狈础）である．ひとつの迟搁狈础はひとつの特定のアミノ酸を结合でき，特定の叁つ组塩基にしか结合することができない．细胞の中では，リボソームと呼ばれる大きな高分子复合体の上で伝令搁狈础と迟搁狈础が结びついてたんぱく质が合成されるが，それによって塩基配列からアミノ酸配列への情报の変换が厳密に行われる．

「アミノアシルtRNA合成酵素」，「チロシルtRNA合成酵素 (TyrRS)」
アミノアシル迟搁狈础合成酵素は，ほとんど全ての生物で20种类のアミノ酸それぞれに対応して，20种类存在し，特定の転移迟搁狈础と特定のアミノ酸を结びつける酵素．それによって，翻訳のための「暗号解読表」が形成される．罢测谤搁厂は，20种类存在する合成酵素のうちのひとつであり，アミノ酸のひとつであるチロシンを认识して，特定の迟搁狈础に结合する酵素である．

「电磁波」
振动电场が磁场を伴って波动として空间を伝搬する现象．我々が光として感じる可视光线も电磁波の一种である．波长によって，齿线，紫外线，赤外线，マイクロ波などがある．ものに触れることなく物质を観察するのに用いられるのは电磁波である．

5. 添付資料

図1: 新しいアミノ酸を生体内で取り入れる様子の模式図．

 

図2: 我々のグループが決定した変異TyrRSの「鍵穴」に結合するヨードチロシン．ヨウ素を球で示した．