ポイント
- 癌抑制タンパク質ＣＹＬＤは、免疫応答の促進に関与する２種類のポリユビキチン鎖を切断して、過剰な免疫応答を抑える働きがあります。
- ＣＹＬＤとポリユビキチン鎖とが結合した状態の立体構造を決定し、切断方法を解明しました。
- 本成果は免疫応答や炎症反応、腫瘍形成の原因を解明する今後の研究に役立つ知見になると期待されます。
東京大学 放射光連携研究機構の深井 周也 准教授らは、癌抑制タンパク質ＣＹＬＤが、免疫応答の促進に関与する２種類のポリユビキチン鎖注１）を切断する方法を、ＣＹＬＤとポリユビキチン鎖とが結合した状態の立体構造を決定し、解明しました。
ポリユビキチン鎖とは、ユビキチン注２）と呼ばれる小さなタンパク質が細胞内でいくつもつながったもので、そのつながりかたの違いによって、制御される生体反応は異なります。このつながりかたは、ユビキチンが次のユビキチンとどの場所でつながるかによって異なり、８種類のつながりかたがあります。このうち、先頭のメチオニン（Ｍｅｔ１）でユビキチン同士がつながったポリユビキチン鎖や６３番目のリジン（Ｌｙｓ６３）でつながったポリユビキチン鎖は、ＣＹＬＤにより適切に切断されなければ、過剰な免疫応答を引き起こし、腫瘍形成や細胞の癌化へと進展することが知られています。しかし、Ｍｅｔ１と、Ｌｙｓ６３とでつながったポリユビキチン鎖では、その構造は異なり、ＣＹＬＤが双方をどのように区別して認識し、切断しているのかは不明でした。
今回、深井 周也 准教授らは、ＣＹＬＤとＭｅｔ１でつながったポリユビキチン鎖とが結合した状態の立体構造および、ＣＹＬＤとＬｙｓ６３でつながったポリユビキチン鎖とが結合した状態の立体構造を決定することで、ＣＹＬＤがそれぞれのポリユビキチン鎖に対応して構造を変化させて、ポリユビキチン鎖を切断していることを明らかにしました。
免疫応答や炎症反応、腫瘍形成、細胞の癌化の原因を解明する今後の研究に役立つ知見になると期待されます。
本成果は、科学技術振興機構（ＪＳＴ）の戦略的創造研究推進事業 チーム型研究（ＣＲＥＳＴ）「ライフサイエンスの革新を目指した構造生命科学と先端的基盤技術」研究領域（田中 啓二 研究総括）における研究課題「シナプス形成を誘導する膜受容体複合体と下流シグナルの構造生命科学」（研究代表者：深井 周也）の一環として行われました。
＜研究の背景＞
酵母からヒトにいたる真核生物の細胞内では、７６個のアミノ酸がつながってできた小さなタンパク質であるユビキチンが、細胞内のさまざまなプロセスを制御しています（図１）。このユビキチンは単独でも働きますが、ユビキチンがいくつも連なって形成されるポリユビキチン鎖もまた、さまざまな生体反応において重要な情報伝達物質として働き、その機能と構造についての知見は近年大きな進歩を遂げています。ポリユビキチン鎖はユビキチンのＣ末端のグリシン残基と、別のユビキチンのＮ末端アミノ基、もしくはリジン側鎖のアミノ基が共有結合を形成することで合成されますが、ユビキチンにはポリユビキチン鎖の形成に使われる残基は８種類あり（Ｌｙｓ６，１１，２７，２９，３３，４８，６３およびＭｅｔ１）、使われる残基によって異なる機能を持ちます（図１）。免疫・炎症反応の過程で多くの遺伝子の発現誘導に関わるＮＦ－kＢ注３）シグナル伝達経路においては、Ｌｙｓ６３でつながったポリユビキチン鎖（Ｌｙｓ６３結合型ポリユビキチン鎖）と、Ｍｅｔ１でつながったポリユビキチン鎖（Ｍｅｔ１結合型ポリユビキチン鎖）がこの経路を活性化する情報伝達物質として重要な役割を果たすことが明らかとなっています。一方、家族性円柱腫症注４）の原因遺伝子産物として同定された癌抑制タンパク質であるＣＹＬＤは、Ｌｙｓ６３結合型ポリユビキチン鎖とＭｅｔ１結合型ポリユビキチン鎖だけを切断（選択的に切断）することでＮＦ－kＢ経路の活性を抑え、転写を抑制します（図２）。したがってＣＹＬＤの機能解明は癌や腫瘍抑制メカニズムの理解につながるものであり、大きな注目を集めていました。しかし、ＣＹＬＤの働きを理解する上で最も重要であると考えられるポリユビキチン鎖の選択的切断メカニズムの詳細についてはこれまで明らかにされていませんでした。
＜研究の内容＞
深井 周也 准教授らはＣＹＬＤとＭｅｔ１結合型ポリユビキチン鎖とが結合した状態の結晶と、ＣＹＬＤとＬｙｓ６３結合型ポリユビキチン鎖とが結合した状態の結晶をそれぞれ作製し、それらの立体構造を決定しました（図３）。今回作製したポリユビキチン鎖はユビキチンを２つつなげた二量体で、２つのユビキチンのうち、Ｃ末端グリシンを使って別のユビキチンに結合している方のユビキチンを先端側ユビキチン、結合されている方のユビキチンを近傍側ユビキチンと呼びます。Ｍｅｔ１結合型、Ｌｙｓ６３結合型のどちらの複合体でも、ＣＹＬＤは先端側、近傍側ユビキチンの形を同時に認識し、ＣＹＬＤの５９６番目のシステイン（Ｃｙｓ５９６）がポリユビキチン鎖をちょうど切断する位置にみつかりました。そして、ＣＹＬＤは近傍側ユビキチンとの結合で、ポリユビキチン鎖がＭｅｔ１結合型あるいは、Ｌｙｓ６３結合型であるかを認識して、切断していることがわかりました。しかし、もちろんＭｅｔ１結合型とＬｙｓ６３結合型とでは、ユビキチン同士のつながりかたが異なるため、近傍側ユビキチンの向きはＭｅｔ１結合型とＬｙｓ６３結合型で異なります。しかし、非常に興味深いことに近傍側ユビキチンの向きがＭｅｔ１結合型とＬｙｓ６３結合型で変わっても、ＣＹＬＤだけに特別に存在する柔軟な領域が、両型の近傍側ユビキチンと相互作用できるように変化し、それぞれのポリユビキチン鎖を切断できることが明らかになりました。これは、これまでには報告されていない、選択的にポリユビキチン鎖を認識する新規のメカニズムです（図４）。
＜社会的意義＞
本研究では、癌抑制タンパク質ＣＹＬＤによる、Ｍｅｔ１結合型およびＬｙｓ６３結合型ポリユビキチン鎖の選択的切断メカニズムを解明しました。８種類存在するポリユビキチン鎖を生命がどのように識別しているのかを明らかにすることで、ポリユビキチン鎖の機能について理解を深めることができます。また、本成果は免疫応答や炎症反応、腫瘍形成、細胞の癌化を解明する今後の研究に役立つと期待されます。
＜参考図＞
図１ ポリユビキチン鎖のモデル
ユビキチンはリジン（Ｌｙｓ）や先頭のメチオニン（Ｍｅｔ１）のアミノ酸で次のユビキチンとつながり、ポリユビキチン鎖が作られる。ユビキチン同士がどのアミノ酸でつながるかによって、ポリユビキチンの機能と構造は大きく異なる。
図２
さまざまな刺激によりポリユビキチン鎖が合成され、免疫応答が起こる。ＣＹＬＤはポリユビキチン鎖を切断することで過剰な免疫反応を抑え、腫瘍形成や癌化を抑制する。
図３
（左）ＣＹＬＤとＭｅｔ１でつながったポリユビキチン鎖とが結合した状態、および（右）ＣＹＬＤとＬｙｓ６３でつながったポリユビキチン鎖とが結合した状態の立体構造。どちらの構造でもＣＹＬＤ（黄色）は先端側ユビキチン（緑）、近傍側ユビキチン（水色）と同時に結合し、切断部分と５９６番目のシステイン（Ｃｙｓ５９６）が接近している。２つの構造中で、近傍側ユビキチンの向きだけわずかに異なる。
図４
ＣＹＬＤと、Ｍｅｔ１結合型およびＬｙｓ６３結合型ポリユビキチン鎖とが結合した状態の模式図。２つの構造中で、近傍側ユビキチンの向きだけわずかに異なるが、ＣＹＬＤだけに特別に存在する柔軟な領域が、近傍側ユビキチンの向きが変わっても近傍側ユビキチンと常に結合している。このため、ＣＹＬＤはＭｅｔ結合型とＬｙｓ６３結合型ポリユビキチン鎖のどちらも切断することができる。
＜用語解説＞
- 注１） ポリユビキチン鎖
- 複数のユビキチン（注２参照）がつながったタンパク質。ユビキチンはメチオニン、もしくはリジン残基に次々とつながって合成される。つながりかたが異なるポリユビキチン鎖が８種類存在し、つながりかたによって機能と構造が大きく異なる。例えば、Ｌｙｓ４８でつながると不要になったタンパク質を分解し、Ｌｙｓ６３でつながると免疫応答の促進などを行う。
- 注２） ユビキチン
- ７６個のアミノ酸からなる小さなタンパク質で、Ｃ末端のグリシンが標的のタンパク質と結合することで、さまざまな生体反応の目印となる。
- 注３） ＮＦ－kＢ（エヌエフ・カッパー・ビー）
- ストレスやサイトカインなどの刺激を受けると核内へと移行し、免疫応答などに関するさまざまな遺伝子の転写を活性化する大型のタンパク質。
- 注４） 家族性円柱腫症
- 常染色体優性遺伝による疾患で、円柱腫と呼ばれる良性腫瘍が主として頭皮に生じるもの。
＜発表雑誌＞
| 雑誌名 |
Nature Structural & Molecular Biology |
| 論文タイトル |
“Structures of CYLD USP with Met1- or Lys63-linked diubiquitin reveal mechanisms for dual specificity” |
| 著者 |
Yusuke Sato, Eiji Goto, Yuri Shibata, Yuji Kubota, Atsushi Yamagata,Sakurako Goto-Ito, Keiko Kubota, Jun-ichiro Inoue, Mutsuhiro Takekawa, Fuminori Tokunaga and Shuya Fukai |
| doi |
10.1038/nsmb.2970 |
＜お問い合わせ先＞
＜研究に関すること＞
東京大学 放射光連携研究機構 生命科学部門 構造生物学研究室
准教授 深井 周也（ふかい しゅうや）
Tel：03-5841-7807
E-mail：
＜ＪＳＴ事業に関すること＞
科学技術振興機構 戦略研究推進部
川口 貴史（かわぐち たかふみ）
〒102-0076 東京都千代田区五番町７ Ｋ’ｓ五番町
Tel：03-3512-3524 Fax：03-3222-2064
E-mail：
＜報道担当＞
科学技術振興機構 広報課
〒102-8666 東京都千代田区四番町５番地３
Tel：03-5214-8404 Fax：03-5214-8432
E-mail：
