選択的オートファジーが標的のたんぱく質凝集体を
認識・隔離するメカニズムを解明

ポイント

• 選択的オートファジーが標的とするたんぱく質凝集体の立体構造を原子レベルで解明し、これまで不明だった不要なたんぱく質の凝集メカニズムと、受容体が凝集体を認識するメカニズムを明らかにした。
• 凝集体表面に結合した受容体が、目印になると同時に凝集体のサイズを調節し、オートファジーによる認識、隔離を促していた。
• パーキンソン病などの原因となる、たんぱく質凝集体が分解されずに蓄積するメカニズムを解明し、予防・治療方法を確立する足掛かりになると期待される。

＜研究の背景＞

オートファジーは、飢餓により誘導される細胞内分解メカニズムで、オートファゴソームと呼ばれる脂質二重膜の袋内に非選択的にたんぱく質や細胞内小器官を取り込んで、リソソーム^注５）や液胞^注６）へ輸送し、分解します。オートファジーによる分解は通常は非選択的ですが、細胞が不必要と判断したものだけを選択的にオートファゴソームに取り込ませる選択的オートファジーと呼ばれるメカニズムも存在します。この選択的オートファジーは細胞の恒常性維持に深く関わっていると考えられており、選択的オートファジーの破綻は神経変性疾患につながることが示唆されています。例えば、不要なミトコンドリアの分解不全がパーキンソン病を引き起こすことや、たんぱく質凝集体の分解不全がアルツハイマー病やハンチントン病などの原因となることが示唆されています。

選択的オートファジーには、分解対象を特異的に認識し、オートファゴソームに取り込ませる受容体が必要です。近年、分解対象に対応した受容体が相次いで見つかっています。しかし、詳細な認識メカニズムについては、これまでほとんど明らかになっていませんでした。

オートファジー研究に最も活用されてきた出芽酵母では、アミノペプチダーゼⅠ（Ａｐｅ１）という凝集性のたんぱく質が選択的オートファジー受容体Ａｔｇ１９に認識され、Ｃｖｔ小胞^注７）と呼ばれる特殊なオートファゴソームに隔離され、液胞へ輸送されることが分かっていました。そこでＡｐｅ１とＡｔｇ１９に着目し、選択的オートファジー受容体が凝集体を認識するメカニズムについて、Ｘ線結晶構造解析法^注８）により原子レベルで明らかにすることを目的として研究を始めました。

＜研究の内容と成果＞

Ａｐｅ１はプロペプチド^注９）と酵素本体からなるたんぱく質で、選択的オートファジーで液胞へ輸送されます。これまでに、Ａｐｅ１は酵素本体で１２量体を形成すること、プロペプチドを介して１２量体同士がつながり凝集体が形成されることが分かっていました。また、受容体Ａｔｇ１９は自身のコイルドコイル^注１０）領域を介してＡｐｅ１のプロペプチド部分と結合することも分かっていました。

本研究ではＸ線結晶構造解析法により、Ａｐｅ１の全体構造、Ａｐｅ１のプロペプチド部分同士の結合構造、プロペプチドとＡｔｇ１９のコイルドコイル領域の結合構造をそれぞれ明らかにしました。その結果、Ａｐｅ１の１２量体は正四面体型の構造を持ち、表面に１２本のプロペプチドが突き出ていることが明らかになりました。また、１２量体同士の凝集は、プロペプチドが自己結合して３量体構造をとることで行われること、受容体Ａｔｇ１９によるＡｐｅ１凝集体の認識は、Ａｔｇ１９コイルドコイル２分子がプロペプチド１分子と３量体を形成することで行われることが明らかになりました（図１）。

凝集体形成と受容体認識は互いに極めて類似した構造で行われていたため、Ａｔｇ１９の結合がプロペプチド同士の３量体構造を壊す可能性が考えられました。溶液中でのＡｐｅ１凝集体の粒子径を計測した結果、Ａｔｇ１９コイルドコイル断片を加えると顕著に小さくなることが分かりました。つまり、Ａｔｇ１９はプロペプチドの自己結合を壊すように結合することで、凝集体形成を阻害することが分かりました。

次に酵母内でＡｐｅ１凝集体のサイズとその液胞輸送との関係を調べた結果、凝集体のサイズは大きすぎても小さすぎても液胞輸送には適さないことが分かりました。また酵母内でのＡｔｇ１９の局在を調べた結果、Ａｔｇ１９は凝集体の表面を覆うように結合することが明らかになりました。これらの結果から、Ａｔｇ１９はＡｐｅ１凝集体の表面を覆うように結合することでＣｖｔ小胞が認識する目印となっていること、同時にＡｐｅ１の過度の凝集を阻害し、Ｃｖｔ小胞が包み込むのに適したサイズに調節していることが明らかになりました（図２）。

＜今後の展開＞

本研究から、選択的オートファジー受容体が、従来考えられていた分解対象の目印としての機能のみならず、分解対象のサイズを適切に制御するという新たな機能を持つことを見いだしました。今回の研究対象は出芽酵母でしたが、ヒトなどの高等生物において見られるたんぱく質凝集体の選択的オートファジーでも、同様のメカニズムが使われている可能性があります。本研究の結果を足掛かりとして、多くの神経変性疾患で見られるたんぱく質凝集体の分解不全のメカニズムの解明が進展し、将来的には予防・治療方法の確立につながることが期待されます。

＜参考図＞

＜用語解説＞

注１） 選択的オートファジー

飢餓が引き金となり細胞内成分を非選択的に分解する一般的なオートファジーとは異なり、細胞が必要な時に特定の対象を分解するオートファジー経路。選択的オートファジーでは、分解対象の種類に応じたさまざまな選択的オートファジー受容体が存在し、それらはどれも分解対象とオートファゴソーム上のたんぱく質Ａｔｇ８の両方に結合することで、分解対象をオートファゴソームに選択的に取り込ませる。

注２） 細胞の恒常性

生物は外部環境の変化に関わらず一定の状態を保つ性質を持っており、それを恒常性と呼ぶ。生物の構成単位である細胞も通常は恒常性を持っており、古くなった生体分子や細胞内小器官を常に刷新し続けることで、細胞内環境を一定に保っている。

注３） 出芽酵母

パンやビール、ワインの製造に用いられる酵母。真核生物であるため基本的な生命現象はヒトを含む高等生物と共通点が多く、遺伝学的解析が簡便に行えることから、モデル生物として汎用されている。オートファジーに関与する遺伝子群はほとんどが出芽酵母を用いて同定された。

注４） オートファゴソーム

オートファジーが誘導された時のみ形成される一過性の細胞内小器官で、二重の生体膜からなる。細胞質成分を取り囲みながら形成され、形成後は速やかにリソソームと融合し、内膜および内容物はリソソーム酵素の働きで分解される。

注５） リソソーム

真核生物が持つ細胞内小器官の１つであり、内部を酸性に保ち、さまざまな加水分解酵素を含む。オートファジーやエンドサイトーシスにより取り込んだ細胞内小器官やたんぱく質を分解する。

注６） 液胞

酵母や植物の細胞で発達している細胞内小器官であり、リソソームと類似した特徴を持つ。酵母や植物では液胞がオートファジーやエンドサイトーシスにより取り込んだ細胞内小器官やたんぱく質を分解する。

注７） Ｃｖｔ小胞

オートファゴソームに類似した一過性の構造体で、出芽酵母でのみ同定されている。オートファゴソームと比べてサイズが小さく、Ａｐｅ１など特定のたんぱく質を選択的に包みこんで液胞へ輸送する。

注８） Ｘ線結晶構造解析法

結晶はＸ線を回折する性質があるが、この性質を利用して結晶の構成物の原子がどのように立体的に配列しているのかを決定する手法。たんぱく質は結晶になる性質があるため、たんぱく質の立体構造を明らかにするために広く利用されている。

注９） プロペプチド

新しく合成されたたんぱく質に付加されるペプチドで、たんぱく質が実際に機能する状態へと成熟する過程で切除される領域。たんぱく質が細胞内の適切な場所に輸送される際に目印として働いたり、たんぱく質の活性を一時的に阻害したりする機能がある。

注１０） コイルドコイル

たんぱく質の二次構造であるαへリックス（右巻きらせん）が２本以上集まり、互いに巻きつきあって形成される構造。たんぱく質の自己結合や、異なるたんぱく質同士の結合を担う機能がある。

＜論文情報＞

＜お問い合わせ先＞