タンパク質を細胞膜に組み込むメカニズムを解明
～バクテリアから人まで共通した基本的な生命現象の理解～

ポイント

• タンパク質を細胞膜に組み込む「膜組み込みタンパク質ＹｉｄＣ」の立体構造を世界で初めて決定しました。
• バクテリアから人まで共通している、タンパク質が生体膜に組み込まれる分子メカニズムを詳細に解明しました。
• 本研究の成果は生命科学研究の発展に貢献するとともに、新規薬剤を開発するための基盤となりえます。

＜研究の背景＞

すべての生物は、細胞膜で囲まれた細胞を生命の基本単位としています。細胞の内部にはさらに生体膜で囲まれた細胞小器官も存在し、それらの働きが生命活動を支えています。生体膜は異なる空間を隔て、バリアーとして働くことが必要ですが、それに加えて、生命活動には生体膜を通じた適切な物質の輸送や情報の伝達、生体膜上でのエネルギー産生などが欠かせません。これらの多様な膜機能を担うのが、疎水性の脂質二重層からなる生体膜に埋め込まれた多種多様な「膜タンパク質」です。そのため、膜タンパク質が生体膜へと正しく組み込まれること（タンパク質の膜組み込み）は、私たちが生きていく上で必須の機能です。ＹｉｄＣは、地球上のさまざまな生物が持っている「タンパク質膜組み込み装置」であり、リボソーム^注１）で新規に合成された膜タンパク質と直接相互作用して、それらを細胞膜に組み込みます。この過程において、膜タンパク質の親水的な膜外領域が細胞膜を通り抜けて膜の反対側へ輸送されるとともに、膜タンパク質の疎水的な膜貫通領域が細胞膜中にとどまる必要があります。ＹｉｄＣによって膜タンパク質が細胞膜に組み込まれる分子メカニズムを理解することは、基本的な生命活動の原理を理解する上で重要な問題です。しかし、これまでＹｉｄＣの立体構造は明らかとなっておらず、その分子メカニズムの詳細は謎のままでした。

＜研究内容＞

今回、本研究グループは、細菌Ｂａｃｉｌｌｕｓ　ｈａｌｏｄｕｒａｎｓ由来のＹｉｄＣの結晶構造を決定^注２）することに成功しました。ＹｉｄＣの結晶化は、脂質キュービック相（ＬＣＰ）法^注３）で行い、大型放射光施設ＳＰｒｉｎｇ－８^注４）ＢＬ３２ＸＵ（ビームライン）においてＸ線回折データを収集しました。その結果、２．４Å（オングストローム、０．１ナノメートル）という高分解能でＹｉｄＣの構造を解明することに成功しました（図１）。ＹｉｄＣの構造をみてみると、内部に大きな溝を持っていることが分かりました。その溝は多くの親水的なアミノ酸によって構成されており、プラスの電荷を帯びていました（図２）。ＹｉｄＣの「親水的な溝」が、疎水的である細胞膜の中に存在していることは、これまでの研究からは全く予測されていなかった新規の発見でした。このＹｉｄＣの構造情報に基づいて進めたｉｎ　ｖｉｖｏ　クロスリンク実験^注５）や枯草菌を用いた遺伝学的解析^注６）によって、ＹｉｄＣは「親水的な溝」で細胞膜に組み込まれる膜タンパク質（基質タンパク質）と相互作用することが判明しました。この溝を構成する親水的なアミノ酸のうち、溝の中心に位置するプラスの電荷を持ったアルギニン残基（７２番目のアミノ酸残基）は生物間で広く保存されており、ＹｉｄＣの働きに極めて重要であることを見いだしました。これらの結果と過去の知見を組み合わせることで、「ＹｉｄＣが基質タンパク質のうち、細胞膜に組み込まれた後に細胞外に突出する領域と親水的な溝で相互作用することで、この細胞外に突出する領域を細胞膜の内部に引き込み膜タンパク質を生体膜へと組み込む」という新規の分子メカニズムを提唱し（図３）、タンパク質が細胞膜に組み込まれる生命現象の解明に大きな進展が見られました。

＜研究の意義と今後の展開＞

本研究は、バクテリアから人まで共通した生命現象の１つである「ＹｉｄＣによるタンパク質膜組み込み過程」の詳細を構造生物学的なアプローチによって初めて解明したものです。この成果は、生体内のタンパク質の成り立ちやタンパク質輸送の基礎研究の発展に大きく貢献するものです。また、ＹｉｄＣが細菌の生育に必須なタンパク質であることから、応用研究として病原菌のＹｉｄＣを標的とした新規の抗生物質の開発等の基盤情報として利用されることが期待されます。

本研究成果は、科学技術振興機構（ＪＳＴ） 戦略的創造研究推進事業（さきがけ）「Ｓｅｃタンパク質膜透過装置の次世代構造生物学」（研究者：塚崎 智也）、科研費（２０２４７０２０、２４６８７０１６、２４１０２５０３、２４１２１７０４、２４２２７００４、２４６５７０９５、２５２９１００６、２５２９１００９、２５６６００７３）、創薬等支援技術プラットフォーム、最先端研究開発支援プログラムなどの支援を受けました。

＜参考図＞

＜用語解説＞

注１） リボソーム

遺伝子の情報に基づいて、生体内でタンパク質を合成する装置である。その重要性から古くから研究がなされ、２００９年には「リボソームの機能と構造解析」にノーベル化学賞が授与されている。

注２） 結晶構造を決定

本研究ではＸ線結晶構造解析法を用い、タンパク質の立体構造を明らかとした。Ｘ線結晶構造解析では、目的物質の結晶にＸ線を照射し、反射データ収集し、解析することにより構造決定を行う。

注３） 脂質キュービック相（ＬＣＰ）法

タンパク質を脂質二重層に再構成させた状態で結晶化させる方法で、近年、膜タンパク質の結晶構造決定の例が多く報告されている。

注４） ＳＰｒｉｎｇ－８

兵庫県佐用町に位置する世界最大級の大型放射光施設。強いＸ線を用いた実験が可能である。

注５） ｉｎ　ｖｉｖｏ　クロスリンク実験

生体内でタンパク質を架橋させることでタンパク質間の相互作用を検出する方法の１つ。本研究では細胞膜に組み込まれるタンパク質と相互作用するＹｉｄＣの部位を同定した。

注６） 枯草菌を用いた遺伝学的解析

本研究では枯草菌染色体のＹｉｄＣ遺伝子を改変することで、ＹｉｄＣの活性を菌体の色で判別できるようにした枯草菌を作製した。この枯草菌を用いることにより、ＹｉｄＣを構成するアミノ酸残基の一部を改変させたＹｉｄＣの活性を系統的に調べた。

＜発表雑誌＞

雑誌名：英国科学誌Nature
論文タイトル：Structural basis of Sec-independent membrane protein insertion by YidC
著者：熊崎 薫*、千葉 志信*、武本 瑞貴、古川 新、西山 賢一、菅野 泰功、森 貴治、堂前 直、平田 邦生、名倉 淑子、マツラナ アンドレス、田中 良樹、森 博幸、杉田 有治、有坂 文雄、伊藤 維昭、石谷 隆一郎、塚崎 智也**、濡木 理**（*同等貢献、**責任著者）
DOI番号： 10.1038/nature13167

＜お問い合わせ先＞

＜研究内容に関すること＞

濡木 理（ヌレキ オサム）
東京大学 大学院理学系研究科 生物科学専攻　教授
Tel：03-5841-4392　Fax：03-5841-4391
E-mail：

塚崎 智也（ツカザキ トモヤ）
奈良先端科学技術大学院大学 バイオサイエンス研究科　准教授
Tel：0743-72-5551　Fax：0743-72-5559
E-mail：

＜ＪＳＴの事業に関すること＞

科学技術振興機構 戦略研究推進部
Tel：03-3512-3525　Fax：03-3222-2063
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＜報道担当＞

東京大学 大学院理学系研究科 理学部
特任専門職員 武田 加奈子、広報室副室長（准教授）　横山 広美
Tel：03-5841-8856
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科学技術振興機構 広報課
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