| １．研究の背景 |
代謝型グルタミン酸受容体１型 (mGluR1) （用語解説（１）参照） は、脳の様々な部域に発現している受容体である。この遺伝子を改変したマウスは、海馬や小脳の機能異常と、記憶や学習といった行動学的異常を示す。このことから、mGluR1 は、いわば記憶の鍵を握る重要な分子として注目されており、mGluR1のシグナル伝達機構を理解することは記憶のメカニズムの解明に有用な知見を提供すると考えられる。
近年、mGluR1 の細胞外領域の結晶蛋白を用いたＸ線構造解析により、mGluR1 は、２つのタンパク質（これらをそれぞれ「サブユニット」と呼ぶ）が会合してできるホモ２量体と呼ばれるタンパク質複合体で構成されていること、また、グルタミン酸が結合すると、mGluR1 の細胞外領域の分子の構造が変化することが明らかにされていた（図１）。
mGluR1を含む代謝型受容体のシグナル伝達は、細胞内においてＧタンパク質を活性化することにより引き起こされることが知られている。そのため、mGluR1のシグナル伝達機構を理解するためには、細胞外領域の分子の構造変化だけでなく、それに伴って起こる細胞内領域の分子の構造変化を知ることが必須であった。しかしこの点は未解決であった。
そこで我々は、蛍光タンパク質を組み込んだmGluR1の分子の動的構造変化の解析を行うという、最先端の研究手法を用いてこの問題にアプローチした。 |
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| ２．研究成果の要点 |
異なるタンパク質の間の距離が近いほど、エネルギーの受け渡し（FRET (Fluorescent Resonance Energy Transfer) 効率）（用語解説（３）参照）が大きくなることが物理化学的に知られている。我々は、mGluR1 に結合するリガンド（受容体と結合する性質を有する物質）を投与することで起こる構造変化を、FRET 効率の変化として光生理学的に捉えることを計画した（図２）。
まず、遺伝子工学的手法により、mGluR1 の細胞内領域の様々な箇所に、シアン色の蛍光タンパク質のみの付加、もしくは黄色の蛍光タンパク質のみの付加、もしくはその両方の付加といった３通りの蛍光タンパク質の付加を行った。そして、蛍光タンパク質を付加された分子を培養細胞に発現させ、細胞膜に出てきた分子の蛍光のみを全反射照明下で測光し、リガンドの投与に伴う FRET 効率の変化を解析したところ、以下の知見が得られた（図３）。
| （１） |
サブユニットの内部では明らかな構造変化は起こらない。 |
| （２） |
２量体サブユニットの、細胞内ループ１が相互に遠ざかる方向に移動する。 |
| （３） |
２量体サブユニットの、細胞内ループ２が相互に近づく方向に移動する。 |
これらの知見から、mGluR1にリガンドを投与することにより、 mGluR1を構成している ２つのサブユニットは移動して配置を変えることが想定された（図４）。この動きが、mGluR1のシグナル伝達を引き起こすＧタンパク質の活性化の本態であると考えられる。
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| ３．研究成果の社会的意義 |
ゲノムプロジェクトが完了し、今後は、ゲノムのコードする個々のタンパク質の構造と機能を解析していくことが求められている。そのため、タンパク質の結晶を用いて行う、いわゆる構造解析が精力的に進められているが、膜タンパク質の場合は結晶化が容易でないため、一般に極めて困難である。また、結晶化した構造を知るだけでは動態に関する情報が欠如しているため、リアルタイムで、細胞が生きたままの状態でタンパク質の動的構造変化を解析する研究手法が切望されてきた。FRET 法による水溶液中のタンパク質構造変化の解析は既に確立されているが、生細胞で受容体タンパク質に適用し成功した例は極めて少ない。
以上より、今回の我々の研究成果は、「mGluR1のシグナル伝達機構において細胞内部分間の配置変換がシグナルを仲介する」ことを明らかにした点のみならず、「生細胞における膜機能タンパク質分子の動的構造変化のリアルタイム測定」を確立した点においても意義がある。ポストゲノムの時代に、タンパク質の構造と作動原理を探っていくために、構造生物学的アプローチを相補う研究方法として、大きな期待が持てるからである。
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| 〈発表論文題名〉 |
"Ligand-induced rearrangement of the dimeric metabotropic glutamate receptor 1α"
「リガンド投与による代謝型グルタミン酸受容体細胞内領域の二量体構造の動的構造変化」
doi ：10.1038/nsmb770 |
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この研究テーマが含まれる研究領域、研究期間は以下の通りである。
| 研究領域： |
脳を知る
（研究総括：久野 宗 京都大学・大学共同利用機関法人自然科学研究機構 名誉教授） |
| 研究期間： |
平成１１年度～平成１６年度 |
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| 本件問い合わせ先： |
| 久保 義弘（くぼ よしひろ）
大学共同利用機関法人自然科学研究機構 生理学研究所
分子生理研究系 神経機能素子研究部門
〒444-8585 愛知県岡崎市明大寺町字西郷中38
Tel: 0564-55-7821
Fax: 0564-55-7825
島田 昌（しまだ まさし）
独立行政法人科学技術振興機構 研究推進部 研究第一課
〒332-0012 埼玉県川口市本町4-1-8
Tel: 048-226-5635
Fax: 048-226-1164
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