相分離生物学：相分離メガネのススメ

生物学的相分離の制御
吉澤
はじめに拓也 1・森英一朗 2

FUS 同士の相互作用について Wang らは，LC ドメインにあるさまざまなアミノ酸を変異させてドロップレッ

通常，構造を持つドメインは 20 種類のアミノ酸がバトの形成能を評価し，あらゆるアミノ酸がドロップレッランス良く含まれていることが多く，Anfinsen のドグトに影響を与えることを明らかとした 1)．なかでも，Nマに従い，特定の構造にフォールドする．しかし，タン末端 LC ドメイン中の Tyr と RGG リピート中の Arg によ

パク質の配列を眺めていると，限られた種類のアミノ酸るカチオン-π相互作用の重要性が示された．また，ドロッに富んだ領域を目にすることがある．実際には，こうしプレットは溶液条件や温度などのわずかな変化によってた配列はプロテオーム全体の 2 〜 3 割ほどを占めるともも影響を受けるため，細胞内でも緻密な制御が行われて言われている．これらは低複雑性（low-complexity；いると考えられる．

LC）ドメイン（もしくは天然変性領域）と呼ばれ，相分離との関連が見いだされているものがあり注目を集めている．LC ドメインは，繰り返しパターンを持つことが多いが，そうした配列の機能は長年謎に包まれてきた．

cross-β ポリマー構造
FUS は直鎖状ポリマー形成能を持つことが報告されており，X 線の回折パターンより β シート構造が見いだ

単独では構造を取りにくい LC ドメインだが，同じ配列同士が並び，β シートを形成する cross-β ポリマーをつくり，機能的にも重要であることが明らかになりつつある．
生物学的相分離と FUS
生物学的相分離とは，細胞内（溶液中）の生体分子が濃い相と希薄な相の二相の液体に分離する現象であり，濃い相として主にドロップレットが観察される．ドロップレットはさまざまな相互作用により形成されるが，基本となるのは一つの分子が二つ以上の分子と相互作用する多価相互作用である．もっとも研究が進められている

RNA 結合タンパク質 fused in sarcoma（FUS）は，膜のないオルガネラとも呼ばれる細胞内のドロップレット形成の中心的な役割を果たすと考えられている．FUS が関与する膜のないオルガネラの中には，細胞質のストレス顆粒や，核内の DNA 修復部位における顆粒，パラスペックルなどがある．FUS のドメインのうち，単独で構造を持つのは RNA 結合モチーフ（RRM）と Zn フィンガーモチーフ（ZnF）のみであり，大部分の領域でアミノ酸組成の偏りが見られる．特に N 末端から始まる LC ドメインはプリオン様ドメイン（PrLD）とも呼ばれ，セリン（Ser），，チロシン（Tyr），グリシン（Gly）が全グルタミン（Gln）体の80 ％以上を占める．Gly/Ser-Tyr-Gly/Ser（G/S-Y-G/S）の繰り返しが多くみられるといった特徴を持つ．このほか，アルギニン（Arg）- グリシン（Gly）- グリシンの繰り返し領域である RGG リピートも複数存在している（図 1）．

立命館大学 生命科学部 生物工学科（助教） E-mail: t-yosh@fc.ritsumei.ac.jp奈良県立医科大学 医学部 未来基礎医学（准教授） E-mail: emori@naramed-u.ac.jp

著者紹介

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生物工学

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図 1．FUS のアミノ酸配列（上）と cross-β ポリマー構造（下）．
G/S-Y-G/S 配列および RGG 配列を下線で示した．構造で示している配列を太字で示した．ドメインを配列の右に示した．

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されたことから，アミロイド様の cross-β ポリマー構造基と N 末端 LC ドメインのチロシン残基とのマルチバレが示唆された ．Cross-β ポリマーには病気に関連するント（多価的）なカチオン -π 相互作用が相分離を引き起構造のイメージがあるが，FUS の cross-β ポリマーは転こすが，メチル化によってアルギニン残基の電荷が弱ま写調節において重要な役割を担うことが示唆されていることにより，ドロップレットを形成する相互作用が減る．転写活性化の場において cross-β ポリマー化した少することが明らかとなった 7,8)．

2)

FUS が RNA ポリメラーゼ II の C 末端の繰り返し配列と相互作用することが明らかとされた．RNA ポリメラー

相分離シャペロン Kapβ2 による制御

ゼ II の C 末端がリン酸化されることで相互作用が失われ翻訳後修飾以外の FUS の相分離の制御因子としては，ることも同時に示された ．この研究により，cross-β ポ

近年明らかとなった FUS の相分離シャペロンとなる核

3)

リマーによる転写制御の可能性が示唆され，機能する輸送受容体タンパク質があげられる．FUS は C 末端にcross-β ポリマーが強く印象付けられた．
さらに興味深いことに，FUS の cross-β ポリマーは，核移行シグナルを持つことから，主に核内に局在する．

他の病的とされる凝集体をつくるアミロイドとは異なによって行われるが，FUS はそのうち Karyopherinβ2

り，細胞内で機能する膜のないオルガネラと同様の柔軟（Kapβ2）によって輸送される．これまで，インポーチ性を示す．2017 年には，固体 NMR 法により，FUS のン β ファミリーは核内へと輸送する働きのみが知られてcross-βポリマーの立体構造がTyckoらのグループによって明らかにされた 4)．LC ドメインのうち，39 番目から95 番目のアミノ酸までの 57 残基がコア領域となる構造であった（図 1）．彼らのグループは FUS 以外にもアミロイド β や α シヌクレインの cross-β ポリマー構造も同きたが，FUS の相分離を抑制する機能を有することが様に決定することに成功しているが，これらの病的と考輸送は核内輸送受容体であるインポーチン β ファミリー

明らかとなった 9,10)．Kapβ2 は FUS の核移行シグナルとの相互作用に加えて，相分離を促進する LC ドメインとも弱く相互作用することで FUS の相分離を抑制する相分離シャペロンとして機能する．
膜のないオルガネラのうち，ストレス時に一時的に形えられている cross-β ポリマーではアラニン，バリン，成されるストレス顆粒があるが，FUS はストレス顆粒ロイシン，イソロイシン，メチオニン，フェニルアラニの構成要素としても知られている．FUS はストレス時ンといった疎水性のアミノ酸によるコアが形成されていには Kapβ2 の機能の低下により細胞質に蓄積することた．一方，FUS は純粋な疎水性アミノ酸をほとんど含でストレス顆粒の駆動因子となり，ストレスから解放さまず水素結合により安定化されていた．また，アミロイれた際に Kapβ2 はストレス顆粒から FUS を引き出し，

ド β は伸長方向に対して 2 回軸あるいは 3 回軸の対称性核内へと輸送することでストレス顆粒を消失させると考を持っていた．他の cross-β ポリマーと比較した際のこえられる．

れらの違いが，FUS の cross-β ポリマー特有の可逆的柔核内タンパク質は LC ドメインを持つものが多いこと軟性，つまり生物学的機能性の要因となることが示唆さ

Kapβ2以外のインポーチンβファミリーが知られている．

れた．

でも同様の相分離抑制能を持つことから，相分離シャペ
翻訳後修飾による制御

翻訳後修飾が FUS の相分離の状態を変化させることも徐々に明らかとなってきた．N 末端の LC ドメインのロンとしての機能は，インポーチン β ファミリーの共通の機能であることが示唆される．
破綻因子

リン酸化が FUS の相分離を抑制することが報告されてこれまで見てきたように，FUS 単独で見てもさまざ．リン酸化サイトには DNA 損傷部位で機能するまな相互作用のバランスによって柔軟な相分離ドロップキナーゼである DNA-PK（DNA-dependent protein kinase）レットが形成されている．その破綻は，疾患と密接に関によるリン酸化部位も含まれている．このことから，わると考えられている．FUS が注目を集められるよう

DNA 損傷部位では非リン酸化状態の FUS が相分離によになった要因として，重篤な神経変性疾患である筋萎縮りドロップレットを形成することで修復の場をつくり，性側索硬化症（amyotrophic lateral sclerosis；ALS）に修復の完了とともに DNA-PK により FUS がリン酸化さ関連する遺伝子変異が数多く見つかったことがあげられれ，ドロップレットが解消することが示唆される．

る 11)．その多くは核移行シグナル領域のアミノ酸変異をいる5,6)

他の翻訳後修飾として，アルギニン残基のメチル化にもたらすものであった．それらの変異体では FUS の局ついても研究が進められている．RGG 中のアルギン残在が細胞質に偏ることから，Kapβ2 によって認識されな

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Kapβ2 に結合し，結果として相分離シャペロンとしての機能阻害をもたらすことを見いだした 17)．細胞内の物質輸送を通じた恒常性維持と生物学的相分離の制御機序が，徐々に明らかになってきている．
以上のことから，FUS の相分離ドロップレットは細胞内においてもさまざまな因子による制御や影響を受けると考えられる（図 2）．
おわりにこれまで，天然変性領域としてとらえられていた LCドメインが cross-β ポリマーを形成して機能することが徐々に明らかとなってきた．しかし，cross-β ポリマー形成の制御機構については未だ明らかにされていない点
図 2．FUS の状態変化と制御因子も多い．また，FUS 以外にも特定のアミノ酸が並んだ配列は多く存在しており，謎の多い LC ドメインが数多く残されている．今後のさらなる研究により LC ドメイくなることで，細胞質において相分離異常を起こすことンの意義が明らかになっていくことを期待する．

が示唆された．試験管内実験でも FUS は時間経過によっ謝てドロップレットの状態から凝集体へと変化していく．
形成物の内部の特定の相互作用が徐々に強固になることにより柔軟性が失われることが原因と考えられる．したがって細胞内では，強固な凝集体を形成する前に相分離シャペロンあるいは翻訳後修飾などによって適切に制御されることが重要である．
遺伝性 ALS の因子として，C9orf72 遺伝子の繰り返

筆者らは偶然，米国・テキサス大学の同じキャンパスで，同時期に独立してこれらに関連した成果をあげることができた．
一連の研究を持続的に支援し，さらに日本での研究活動を進めていくにあたり支援を頂いた，Steven McKnight 教授と Yuh Min
Chook 教授に深く感謝する．本研究成果の一部は，AMED 国際脳課題（JP19dm0307032）の支援を受けた．

文

し 配 列 の 増 幅 が あ る． イ ン ト ロ ン 領 域 の 6 塩 基（GGGGCC）の繰り返し回数の増幅により，開始コドン

ATG 非依存的翻訳［repeat-associated non-ATG（RAN）translation］により 5 種類のポリジペプチドが産出される．そのうち，アルギニンを含むプロリン - アルギニンポリジペプチド（PRn）とグリシン - アルギニンポリジペプチド（GRn）が高い細胞毒性を持つことが報告されている 12,13)．これらの毒性ポリジペプチドは，FUS などのcross-β ポリマーと結合することが明らかとなっており，相分離異常をもたらすことが毒性のメカニズムとなると考えられている 14,15)．
また，C9orf72 遺伝子の繰り返し増幅によって，核と細胞質の間の物質の輸送に異常をきたすことが知られて
おり16)，C9orf72 遺伝子由来の毒性ポリジペプチドが核輸送タンパク質に与える影響も示唆された．筆者らは最近，PRn が核輸送受容体かつ相分離シャペロンである

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17)

献

Wang, J. et al.: Cell, 174, 688 (2018).
Kato, M. et al.: Cell, 149, 753 (2012).
Kwon, I. et al.: Cell, 155, 1049 (2013).
Murray, D. T. et al.: Cell, 171, 615 (2017).
Han, T. W. et al.: Cell, 149, 768 (2012).
Ryan, V. H. et al.: EMBO J., 36, 2951 (2017).
Hofweber, M. et al.: Cell, 173, 706 (2018).
Qamar, S. et al.: Cell, 173, 720 (2018).
Yoshizawa, T. et al.: Cell, 173, 693 (2018).
Guo, L. et al.: Cell, 173, 677 (2018).
Kwiatkowski, T. J. et al.: Science, 323, 1205 (2009).
Kwon, I. et al.: P Science, 345, 1139 (2014).
Freibaum, B. D. and Taylor, J. P.: Front. Mol. Neurosci.,
10, 1 (2017).
Lin, Y. et al.: Cell, 167, 789 (2016).
Shi, K. Y. et al.: Proc. Natl. Acad. Sci., 114, E1111(2017).
Freibaum, B. D. et al.: Nature, 525, 129 (2015).
Nanaura, H. et al.: bioRxiv, 812099 (2019).

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