東京大学 大学院新領域創成科学研究科の佐々木 裕次 教授を中心とする研究グループ（公益財団法人 高輝度光科学研究センター 関口 博史 博士（研究当時：佐々木研究室 特任助教）、東京農工大学 養王田 正文 教授ら）は、変性してしまったタンパク質分子を修復する機能を持つシャペロニンタンパク質分子の内部運動を、１分子でリアルタイムに高精度計測することに初めて成功しました。シャペロニンは８量体のリング構造が２つ重なったシリンダ構造をとりますが、ＡＴＰ（アデノシン三リン酸）と結合した後にリング内の一部が構造変化し、その後、リング全体で同期した反時計方向へのドミノ倒しに似たねじれ運動を伴って、開状態から閉状態へ移行することがわかりました。これらの一連の運動は、１９９８年に佐々木 裕次 教授が考案し開発したＸ線１分子追跡法（ＤＸＴ） 注１） を用いて、３０ミリ秒の時間分解能で、ピコメートルの位置決定精度で計測されました。今までは静止画として何枚も撮影して、一連の運動を予測していましたが、実時間で見ることで、分子内部運動にどのような協同性があるかを定量的に議論できることが明確となりました。
分子生物学では今まで、分子は構造を持った静止体（点）として認識してきました。しかし、今回計測した分子内部運動という新しい物性を高速高精度計測することで、今後、創薬の戦略指針や分子間相互作用の考え方が全く違ったモノになる可能性もあります。例えば、鍵と鍵穴のような創薬ではなく、機能発現に必須な分子運動のみを阻害する「分子内運動阻害分子」の設計が重要になるでしょう。そして、この新規創薬分子が非常に機能依存であればあるほど、薬剤による副作用効果激減への新しい戦略となるでしょう。
＜発表内容＞
シャペロニンは構造の壊れたタンパク質と直接相互作用し、その折れたたみを促進させるタンパク質です。複数のサブユニットから構成されるリングを背中合わせに２つ重ね合わせた構造をとります。シャペロニンはＡＴＰ依存的な構造変化によって機能しますが、その反応機構は、真核生物の細胞質や古細菌に存在するグループＩＩ型シャペロニンにおいては明らかでありませんでした。
東京大学 大学院新領域創成科学研究科の佐々木 裕次 教授を中心とする研究グループ（公益財団法人 高輝度光科学研究センター 関口 博史 博士（研究当時：佐々木研究室 特任助教）、東京農工大学 養王田 正文 教授ら）は、佐々木教授が考案開発したＸ線１分子追跡 （Ｄｉｆｆｒａｃｔｅｄ Ｘ－ｒａｙ Ｔｒａｃｋｉｎｇ：ＤＸＴ）を高度化し、ＡＴＰ依存的なシャペロニンの分子内運動を１分子で高精度（原子の大きさの１／１００であるピコメートｐｍ精度）かつ実時間スケール（１画像３０ミリ秒積算で２秒間連続測定）で観察することに成功しました。その結果、シャペロニン分子は、ＡＴＰ結合後２秒以内にリング内の各サブユニットで独立した構造変化があり、その後、リング全体で同期したドミノ倒しに似たねじれ運動を伴って閉状態へ移行することがわかりました。シャペロニンリング内およびリング間の協同性を論じる上で、１分子内部の運動を明確化することは極めて重要で、生物系で一番重要と言われるアロステリック効果 注２） が、究極的な精度で定量的に初めて議論できることになり、その考案者であるジャン・ピエール・シャンジュー教授（仏国パスツール研究所）も非常に注目しています。現在すでに、上下ドメインの協同性の詳細解析や、他の巨大複合体タンパク質分子や、注目される多くのチャネル分子への適用を進めているところです。
１分子上のねじれ運動を高精度に高速に観察できる本ＤＸＴ手法は、現状では、ナノ秒レベルまで高速化が進んでおり、あらゆるタンパク質分子の分子内運動を細胞上で計測できることがわかってきました。今後、本手法は学術的にも技術的にも非常に期待が膨らんでいる数少ない日本発オリジナル計測技術です。
なお、本プレス発表は、東京大学、東京農工大学、高輝度光科学研究センター、および科学技術振興機構（ＪＳＴ）の共同発表で、ＪＳＴの戦略的創造研究推進事業 ＣＲＥＳＴ研究領域「生命現象の解明と応用に資する新しい計測・分析基盤技術」（研究総括：柳田 敏雄）研究課題「高精度１分子内動画計測から見える生体分子構造認識プロセス」（研究代表：佐々木 裕次）で行われた研究成果です。
＜参考図＞
図１ シャペロニンの構造変化モデル（動画参照）
動画
＜用語解説＞
注１） X線１分子追跡法（Ｄｉｆｆｒａｃｔｅｄ Ｘ－ｒａｙ Ｔｒａｃｋｉｎｇ：ＤＸＴ）数１０ｎｍ程度のナノ結晶をタンパク質分子に標識し、タンパク質分子の内部運動に連動したナノ結晶の動きを、ナノ結晶からのＸ線による回折ラウエ斑点の動きとして高速時分割追跡する手法です。佐々木 裕次 教授が１９９７年に考案し、科学技術振興事業団（現ＪＳＴ）の個人研究推進事業「素課程と連携」さきがけ研究２１研究員としてそのアイデアを実現し２０００年に発表し、今までに多くの論文を発表してきています（Physical Review Letters, Physical Review, BBRC, Cellなど）。
注２） アロステリック効果タンパク質分子とそのリガンドである化合物が一対多の複合体を形成する際に、前の段階の複合体形成によって次以降の複合体形成反応が促進・抑制されるドミノ倒しに似た現象。アロステリーという言葉は、ギリシア語で「別の」を意味するａｌｌｏｓと「形」を意味するｓｔｅｒｅｏｓに由来する。アロステリック効果はジャック・モノー（１９６５年度ノーベル生理学医学賞受賞者）、ワイマン、ジャン・ピエール・シャンジューらによって提案された。分子の協同性という言い方もする。
＜発表雑誌＞
雑誌名：PLOS ONE（米国の学術雑誌、プロスワン）10.1371/journal.pone.0064176
＜お問い合わせ先＞
＜研究に関すること＞
佐々木 裕次（ササキ ユウジ）
＜ＪＳＴの事業に関すること＞
川口 貴史（カワグチ タカフミ）
