【三島海雲学術賞】（自然科学部門）

立体構造に立脚した種子タンパク質の分子食品科学的研究

丸山

京都大学大学院農学研究科

はじめに伸之准教授

新奇な食素材を安価に大量に生産できる。

世界的な人口増加や気象の変化などからの食糧不足へ

本研究では、種子貯蔵タンパク質の加工特性やアレルの対応が急務となっている。食糧が不足した時に、そのゲン性などの食品として性質について解析するととも不足が最も深刻になるのはタンパク質である。作物の種に、立体構造に基づいて構造と特性との関係を明らかに子はタンパク質含量が高く、タンパク質源として重要ですることを試みた。また、疾病予防に役立つ生理活性ペあり、その多くは種子貯蔵タンパク質とよばれるタンパプチドを高含有する種子貯蔵タンパク質を分子設計するク質群である。食糧としてのタンパク質を実質的に増産とともに、ダイズやイネなどの作物種子で生産するためする方法として、食品加工特性を改良することによっての基盤研究を行った。以上の成果について概説する。

種子貯蔵タンパク質の用途を広げることや、低利用あるいは未利用の種子貯蔵タンパク質の利用価値を見出すこ

種子タンパク質の分子構造と食品特性相関の解明とにより、利用しうる作物種を拡大することなどがあげ

多くの作物は 11S グロブリンおよび 7S グロブリンをられる。そのためには作物種子に含まれる貯蔵タンパク主要な種子貯蔵タンパク質としており、おのおのが固有質の食品加工特性を詳細に理解する必要がある。それらの優れた加工特性をもつ 1）。両タンパク質共に複数のサの性質がどのような分子構造に基づいているのかを明ら

ブユニットからなる多量体構造をとっているために、一かにすることにより、種子貯蔵タンパク質を最適な用途般的な品種の種子からサブユニット組成の単一な分子種に有効利用することが可能となる。また、種子貯蔵タンを調製することは難しく、サブユニットごとの加工特性

パク質はアレルゲンと報告されているものが多いが、アについては十分な知見が得られていなかった。そこで、レルゲン性に関わる構造については不明な点が多い。安

遺伝子工学的に調製した組換え型タンパク質や貯蔵タン全にそれらの用途を拡大するために、種子貯蔵タンパクパク質の組成に変異をもつ育種材料を用いて 7S グロブ

質のアレルゲン性を分子構造から理解することが望まれリンおよび 11S グロブリンの特性について明らかにすている。

ることを計画した。まず、研究材料として広く食品素材一方、食品タンパク質が消化された後に生じるペプチに利用されているダイズのグロブリンを用いた。ダイズ

ドに人間の健康の維持・増進に役立つ生理機能性を備え7S グロブリンの 3 種のサブユニットには各サブユニッているものがあることが明らかになってきた。そのようトに共通のコア領域のみからなるものと、その N 末端な生理機能性ペプチドを積極的に摂取することによりヒ部にエクステンション領域をもつものがある（図１）。

トの健康が増進され、疾病予防ができる。生理機能性をまた、全てのサブユニットには糖鎖が付加される。一方、もつタンパク質を分子設計して様々な機能性をもつ新奇11S グロブリンは、プロ型として生合成され、その後プな食素材を開発し利用することが、より高度な疾病予防ロセシングを受けることにより酸性鎖と塩基性鎖に切断に役立つ。また、コストが安いことや安全性が高いことされ、それに伴い構造変化をすることにより成熟型となから植物を利用して医薬品を生産する技術の開発が行わる。大腸菌は糖鎖を付加できず、プロセシング酵素をもれている。特に、植物種子は乾燥して備蓄することが可たないので、大腸菌発現系を利用することにより糖鎖を能であるために生産の場としてのメリットが高い。したもたない 7S グロブリンとプロ型の 11S グロブリンが得がって、植物種子を利用した機能性をもつ新奇な食品素られる。そこで、大腸菌発現系により 7S グロブリンや材の生産システムを開発することにより、機能性をもつ11S グロブリンの各サブユニットの組換え型を調製する
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丸山伸之

図 1 種子貯蔵タンパク質グロブリンについて

図2

7S および 11S グロブリンの立体構造比較とともにタンパク質工学的に部分的に改変したものも調型の乳化性は酸性鎖の C 末端部に存在する可変領域の製し、これらの特性を比較した。さらに、育種的に作成長さによって決まるが、その他の特性は、成熟型、プロされた一部のサブユニットを欠損するダイズ品種も利用型とも各サブユニットに固有であることを明らかにした

し、多様なサブユニット組成をもつ成熟型の分子種につ2-8）いても調製し、それらの特性についても比較した。これ

グロブリンに関して行なうとともに、Ｘ線結晶構造解析らの解析から、7S グロブリンに関して、1）エクステンにより立体構造を決定し（図２）、乳化性と密接に関係ション領域は溶解性と乳化性を高めること、2）糖鎖はする表面疎水性は分子表面の疎水性残基の分布状態のみ溶解性を高めるが、加熱時の会合を阻害すること、3）によっては決まらない可能性が高いこと、加熱によるゲ熱安定性はコア領域の安定性によって決まることなど

ル化性と密接に関係する熱安定性は多くの要因が複合的を明らかにした。また、11S グロブリンに関して、成熟に影響している可能性が高いことなどを示した 9-14）。さ。さらに、同様の解析を様々な作物の 7S および 11S2立体構造に立脚した種子タンパク質の分子食品科学的研究らに、改変したダイズ 11S グロブリンを設計し、それ築を試みた。そのために、まず、種子貯蔵タンパク質らの乳化物を評価することにより、フレキシビリティーが合成される小胞体から、蓄積される部位であるタンパの高いドメインをダイズ 11S グロブリンに付与するこク質貯蔵液胞への選別輸送シグナルを同定し、それらのとにより、乳化安定性が格段に高くなることを見出した。

機能を損なうことなく生理活性ペプチドを導入する必要一方、種子貯蔵タンパク質のアレルゲン性を明らかにがある。植物の液胞として、種子などの貯蔵器官に主にするために、コムギ、ピーナッツ、ダイズなどの主要な存在するタンパク質貯蔵液胞以外にも、葉などに存在す種子貯蔵タンパク質の組換え型タンパク質を調製し、そる、分解酵素が多く含まれる分解型液胞があるが、両液れらを用いてアレルゲン性について患者血清を用いて解胞への輸送機構の相違点は明確にはなっていない。そこ

析し、アレルゲン性の高い種子貯蔵タンパク質を明らかで、7S グロブリンの各種変異型サブユニットを、7S グにした 15-17）。さらに、構造決定したピーナッツの主要なロブリンと同種のタンパク質をほとんど含有していないアレルゲンである 7S グロブリンの立体構造を用いて患シロイヌナズナの種子で発現させ、それらの免疫電子顕者血清に含まれるアレルギー症状に関与する抗体（IgE

微鏡観察を行い、7S グロブリンの C 末端 10 残基に選抗体）との結合領域の構造について分析し、３量体から別輸送シグナルが存在することを明らかにした 19）。登単量体に解離することにより多くのエピトープが露出す熟期種子でレポータータンパク質（緑色蛍光タンパクることを示した （図３）
。現在、IgE 抗体に認識され質 ; GFP）を一過的に発現させる選別輸送シグナルの解る種子貯蔵タンパク質の構造についての一般性について析システムを開発し、それらの C 末端 10 残基がダイズも解析を進めている。

種子中においても選別輸送シグナルとして機能すること18）を証明した。さらに、11S グロブリンを欠失したダイズ
種子貯蔵タンパク質の立体構造を利用した疾病を予防す系統の登熟期種子を解析システムに利用して、11S グロる食品素材の開発

ブリンの主要なサブユニットの選別輸送シグナルについ疾病予防に役立つ生理活性ペプチドを種子で安定に蓄ても解析し、C 末端部が選別輸送シグナルとして重要な積させることにより新奇な食素材を開発するために、種サブユニットが多いことを明らかにした 20）。以上の成子貯蔵タンパク質をキャリアーとして生産する方法の構

果より種子細胞を用いる独自の解析システムを利用して

図 3 ピーナッツ 7S グロブリンの構造に対するエピトープの位置
数字の領域がエピトープを示している。
A：３量体 B：単量体 C：単量体リボン図。

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山伸之

解析を行うことにより、種子タンパク質の選別輸送シグ産できることを示した。今後、これらの成果を従来用いナルの全体像を明らかにすることができた。そして、Cられてきた変異育種へ高度に利用することにより、食品末端部のシグナルを維持したまま種子貯蔵タンパク質に成分の高機能化を可能にする新たな育種法が開発できる

新たな生理機能性ペプチドを導入すると液胞への輸送はと考えている。

損なわれないと予想される。生理機能性ペプチドの導入
おわりににより構造形成能についても損なわないようにする必要があるため、7S および 11S グロブリンの立体構造デー

食品素材のニーズは、加工特性や栄養性等に加えて、タを利用して液胞への選別輸送を維持したまま免疫賦活

生理機能性や安全性等など非常に多様である。これまで活性などの生理機能性の導入を試みた。生理機能性をも主要な種子タンパク質を対象として加工特性やアレルゲつペプチド配列を導入する部位によっては、分子モデリン性に関して立体構造に立脚して研究を展開してきた。

ングにより構造形成可能であると予想した活性をもつ配今後、研究対象とする構成成分の範囲を広げ、種子など列に置換したグロブリン（導入型グロブリン）についての食品素材に含まれる微量タンパク質についても分子レＸ線結晶構造解析を行い、種子から得られるものと同様ベルで解析するととともに、食品素材の性質をシステムの高次構造を形成していることを確認した（図４）。

バイオロジー的にとらえ、どのような構成成分がどれくさらに、導入型をイネ種子において発現させ、導入型がらいの比率で含有されることが多様なニーズに応えうるタンパク質貯蔵液胞に野生型と同様のレベルで蓄積でき食品素材であるのかという点についても理解を深めるこること、そして蓄積した導入型は期待どおりの生理活性とが重要であると考えている。

21-24）をもつことを示した。さらにダイズ種子についても同様
謝のアプローチで生理機能性をもつ導入型貯蔵タンパク質辞。以上のよこのたびは大変名誉ある三島海雲学術賞を授与していうに、種子貯蔵タンパク質の立体構造の情報を利用する

ただき、公益財団法人三島海雲記念財団の今関博理事長、ことにより、新奇な機能性をもつ分子を設計しうるとと

上野川修一選考委員長をはじめ関係各位の諸先生方に心もに、それらを作物種子において蓄積および生産させるより感謝申し上げます。また、本賞にご推薦くださいまことによって疾病を予防する食品素材を安価に大量に生した京都大学大学院農学研究科長 遠藤隆教授にお礼申を種子に蓄積させることに成功している

図425）

分子内部をターゲットとした 7S グロブリンへの機能性ペプチドの導入

4立体構造に立脚した種子タンパク質の分子食品科学的研究し上げます。

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本研究は、京都大学食糧科学研究所新食糧設計分野および大学院農学研究科農学専攻品質設計開発学分野で行われたものであります。本研究を遂行するに当たり、終始格別のご指導とご高配を頂きました京都大学大学院農学研究科 故内海成教授に厚く御礼申し上げます。また、本研究にご助言、ご協力頂いた京都大学 三上文三教授、松村康生教授、奥本裕教授、吉川正明名誉教授、農業生物資源研究センター 高岩文雄博士、石本政男博士に心からお礼申し上げます。実験を遂行してくれた品質設計開発学研究室の学生諸氏、非常勤職員の方々、ご指導とご協力を賜りました大学をはじめとする研究機関、医療機関、民間企業の諸先生方と共同研究者の方々に深く感謝申し上げます。
引用文献
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