“Dynamical Ordering & Integrated Functions”
Newsletter Vol. 10June, 2014

業績紹介：黄色ブドウ球菌由来の細胞分裂必須因子 FtsA の結晶構造とFtsA の結合による FtsZ の活性化
"Crystal Structure of FtsA from Staphylococcus Aureus"
Junso Fujita, Yoko Maeda, Chioko Nagao, Yuko Tsuchiya, Yuma Miyazaki, Mika Hirose, Eiichi
Mizohata, Yoshimi Matsumoto, Tsuyoshi Inoue, Kenji Mizuguchi, and Hiroyoshi Matsumura
FEBS Letters, 588, 1879-1885 (2014) DOI: 10.1016/j.febslet.2014.04.008

松村浩由（大阪大学大学院工学研究科応用化学専攻・A01 公募研究代表者）

マーはそれぞれ 17 度、28 度捻れていた。このことか
ら、FtsA はポリメライズするものの、そのフィラメン
トは湾曲しうること、そしてこのフィラメントは構造的にフレキシブルであることが示唆された。つづいて、
FtsA が ATPase を持ちうるかを立体構造から検証し細菌は 20 種類以上の細胞分裂に関わるタンパク質たところ、水の配置などから ATPase 活性が発揮されを有している。そのなかでも FtsZ と FtsA は、細胞膜にくいことが予測された。実際に、我々の活性測定での陥入・分裂の過程における鍵タンパク質である。

も FtsA の ATPase 活性はほとんど検出できていない。

チューブリンホモログである FtsZ は、GTP 依存的にさらに、FtsZ と FtsA との結合が、GTPase/ATPase重合して細胞中央部にリング状のポリマーを形成し、活性に与える影響を調べたところ、FtsA の結合によっ集合・離散を繰り返しながら膜を収縮させる。一方、て FtsZ の GTPase 活性が上昇することが明らかとアクチンホモログである FtsA は、膜結合能を持たななった。この結果は、前述した「FtsZ と FtsA が協調

い FtsZ ポリマーを細胞膜に結合させる役割をもつ。

して機能する」現象を初めてアッセイで証明できたこ

しかし、FtsA の役割はそれだけではなく、最近になっとを示している。て FtsA は FtsZ を機能的にも手助けしていることが以上、本研究の成果により、FtsA の立体構造と FtsZ分かってきた。というのも、膜に結合するよう改変しと FtsA による協調現象の一端が分かってきたが、そた FtsZ は、リポソーム膜をわずかに陥入するのみでの分子機構は未だ理解できていない。それには様々なあったのが（Science 320, 792, 2008）、FtsZ-FtsA（変観点から、分子構造と分子の集合・解離（つまり動的異体）複合体は膜の陥入のみならず分裂まで達成する秩序）との関係性を調べる必要があり、本領域で FtsZ-ことが示されたからである（PNAS 110, 11000, 2013）。

FtsA 複合体における分子機構と動的秩序の関係性を

このように FtsZ と FtsA の協調現象が示されたが、そ追求する予定である。の分子機構は不明である。その理由として、FtsA の調製が難しく、FtsZ と FtsA の複合体、ならびに FtsA単体の構造機能解析が進んでこなかったことが挙げら

図 1：FtsA の結晶構造。

れる。したがって例えば、「アクチン同様に FtsA はポドメインで色分けをしてリメライズし、ATPase 活性を持つのか？」、また「FtsZおり、緑、赤、青のドメと FtsA の結合はこれらの GTPase/ATPase 活性を変インの境界に ATP アナロ化させるのか？」といったことも示されてこなかった。

グが結合している。

本論文では、黄色ブドウ球菌由来の FtsA を用いて初めて安定な FtsA の調製に成功し、つづいて ATP アナログ複合体の立体構造を X 線結晶構造解析によって決定した（図 1）。結晶中で FtsA 分子は逆平行フィラメントを形成しており、そのフィラメント内のモノ1

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業績紹介：ヒストンを模倣したペプチド修飾 M12L24 球状錯体を使い，段階的に DNAを凝集させた"Stepwise DNA Condensation by a Histone-mimic Peptide-coated M12L24 Spherical Complex"
Takashi Kikuchi. Sota Sato, Daishi Fujita, and Makoto Fujita
Chem. Sci., 5, Accepted Manuscript (2014) DOI: 10.1039/C4SC00656A

佐藤宗太（東北大学 原子分子材料科学
高等研究機構（WPI-AIMR）
・A02 計画研究代表者）

して、球状錯体の全正電荷（Zsphere）の比率が Zsphere/ZDNA= 0.87 である場合は、DNA に球状錯体が部分的に載り、その場所で DNA が曲がっている beads-on-a-string 構造が観測された。この電荷比を Zsphere/ZDNA = 1.7 まで増やすと、複数の DNA 分子が凝集して、5 nm の均一な自然界における秩序化では、多段階にわたる秩序化

高さ の構造を形 成することがわ かった 。さ らに、が動的に進行する例が多く見いだされる。例えば、真Zsphere/ZDNA = 8.7 まで増やした場合には、高さ 16 nm、核細胞では、正電荷を帯びたタンパク質であるヒスト

最大直径で 40 nm 程度のコンパクトな球状構造体へとン 8 量体が、負電荷を帯びている DNA 分子を段階的に凝集する様子が明らかになった。この凝集の様子は動凝集させてコンパクトな構造のクロマチンを形成し、的光散乱（DLS）によっても確認できた。従来の DNA遺伝子発現という生命現象を制御していることが知らを凝集する物質と比較すると、この球状錯体は最も効れている。一方、人工系では合成分子の秩序化は一段率的に DNA 凝集を促進できる物質の 1 つであった。

階で安定な最終生成物に落ち着いてしまう単純な系が多く、多段階での秩序化の実現例は数少ない。そこで、
ヒストン 8 量体の構造を参考に、大きさや電荷密度が似た分子を合成できれば、DNA の多段階での凝縮を実現できると期待をもって検討を行った。
これまでに、折れ曲がった有機配位子（L: ligand）と遷移金属イオン(M: metal ion)との自己組織化によって、M12L24 組成の球状錯体が得られることを報告しており、その基本骨格の直径は 3.5 nm と、人工系分子としては最大級に大きい。さらに、配位子にあらかじめ化学修飾することで、配位子と同じ数である 24 個の官能基を厳密に構造制御して導入することができる。

図１：ヒストン 8 量体の構造を模倣し、表面に 24 本の今回、正電荷を帯びたペプチド鎖を化学修飾すれば、ペプチド鎖を精密配置した球状錯体を自己組織化合成

ヒストン 8 量体の大きさと電荷密度を模倣した巨大分し、環状 DNA を 3 段階にわたってからめとった。

子を合成できると考えた。Arg–Lys–Leu– Pro–Asp–Alaの配列の+1 価のペプチド鎖を 24 個修飾することで、2+このように、ヒストン 8 量体の構造を模倣して、大錯体骨格に 12 個含まれるの Pd イオンの電荷と合わせきさと電荷密度を整えた球状分子は、DNA を効率的にて+48 価の電荷を持ち、直径 8.4 nm にも達する球状錯凝集できることがわかった。その過程は 3 段階にわた体を合成した。

り、電荷比で制御された自発的な秩序化であることを環状のプラスミド DNA（pBR322）に対して、この球明らかにすることができた。

状錯体分子を加え、その形状をマイカ基板上で原子間力顕微鏡（AFM）によって観察した（図 1）。加える錯体分子の量が少なく、DNA 分子の全負電荷（ZDNA）に対2

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業績紹介：YidC によるタンパク質膜挿入機構の解明"Structural basis of Sec-independent membrane protein insertion by YidC"Kaoru Kumazaki, Shinobu Chiba, Mizuki Takemoto, Arata Furukawa, Ken-ichi Nishiyama, YasunoriSugano, Takaharu Mori, Naoshi Dohmae, Kunio Hirata, Yoshihiko Nakada-Nakura, Andres D.
Maturana, Yoshiki Tanaka, Hiroyuki Mori, Yuji Sugita, Fumio Arisaka, Koreaki Ito, Ryuichiro Ishitani,*Tomoya Tsukazaki, and *Osamu Nureki
Nature, 509, 516-520 (2014) DOI: 10.1038/nature13167

古川 新（奈良先端科学技術大学院大学
バイオサイエンス研究科・塚崎研究室）
塚崎 智也（奈良先端科学技術大学院大学
バイオサイエンス研究科・A02 公募研究代表者）が判明し、多彩な基質との認識に関与することが考えられた。親水性の溝の中心部には、生物種間で保存されたアルギニン残基が存在しており、溝の内部を正に帯電させている。このアルギニン残基を他のアミノ酸に置換したところ、YidC の膜挿入活性が著しく阻害された。一方で基質膜タンパク質に存在する負電荷を減少させても YidC の膜挿入活性が低下したことから、生体膜では多数の膜タンパク質が機能している。細

正に帯電した溝と基質タンパク質との静電的な相互作菌の場合、タンパク質のサイトプラズム膜への挿入は、用が示唆された。さらに、YidC と基質膜タンパク質の真核生物にも保存されている Sec トランスロコン複合相互作用部位を同定するため、部位特異的光架橋実験体または膜挿入装置 YidC を介しておこる。YidC はを進めた。溝の内側(保存されたアルギニン残基付近)

ATP 合成酵素のバイオジェネシスにも関わっており、と外側に、光架橋剤として非天然アミノ酸を導入した

真核生物のミトコンドリアや葉緑体に保存されているいくつかの YidC 変異体を作製し、光照射による in vivoが、その膜タンパク質挿入機構は不明であった。我々における架橋産物の検出を進めた。その結果、溝の内の研究グループは世界で初めて Bacillus halodurans側においてのみ、基質タンパク質との架橋産物が形成

由来 YidC の構造を X 線結晶構造解析により 2.4 Å 分された。以上の結果を統合して、YidC が基質膜タンパ解能で決定した(図 1)。

ク質を親水性の溝にいったん取り込み、その後膜へ挿入するという新たなモデルを提唱した(図 2)。
YidC の初めての構造決定によって、タンパク質膜組み込み機構の詳細な解析が可能となった。今回は単純な基質タンパク質の膜組み込み過程の提唱であったが、今後は多くの研究者が YidC の構造情報を基に、より複雑な膜タンパク質の組み込み過程について解析を進めるだろう。

図 1：Bacillus halodurans YidC の構造
YidC は 5 本の膜貫通ヘリックスを有しており、ほとんどの領域が膜に埋もれていた。5 本の膜貫通ヘリックスによって形成された溝は、サイトゾル側と側方に開かれていたが、細胞外側には閉ざされていた。MD
シミュレーションの結果、YidC はこの溝が開かれた構

図 2：YidC によるタンパク質膜挿入モデル

造体を保ったまま膜内に安定に存在することが判明した。また、サイトゾル側の領域の揺らぎが大きいこと3

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構造生物学を指向した糖タンパク質のテーラーメイド合成の最新動向(総説)
Recent Advances in Glycoprotein Production for Structural Biology: Toward Tailored Designof Glycoforms
Yukiko Kamiya, Tadashi Satoh, and Koichi Kato
Current Opinion in Structural Biology, 26, 44-53 (2014). DOI: 10.1016/j.sbi.2014.03.008

自然界に存在する全種類のタンパク質の半数以上は糖鎖修飾を受けている。糖鎖は、細胞内におけるタンパク質社会の秩序維持や、細胞表層の生命分子集合場の構築など、生命分子システムの動的秩序形成の重要な要素として機能している。しかしながら、糖タンパク質の構造生物学・分子科学の研究は単純タンパク質の場合と比較して非常に立ち遅れている（プロテインデータバンクへの糖タンパク質の立体構造登録はわずか 3.5%）。その原因として、均一な糖鎖構造を持つタンパク質および糖鎖そのものを調製することの困難さが挙げられる。なぜなら、タンパク質上の糖鎖の構造は発現細胞の種類や細胞内環境に応じて変化しており、真核細胞を用いた従来法によって得られる糖タンパク質には構造不均一性が生じるからである。本総説では、こうした現状を脱却するべく分子生物学、生化学、合成化学の手法を駆使することによって高度な発展を見せている糖タンパク質の産生法に関して最新の知見と研究動向を紹介している。例えば、生物の力を全く借りない完全化学合成による人工糖タンパク質の創成、糖鎖合成マシーナリーを据え付けることにより糖タンパク質生産能を獲得した大腸菌の開発が挙げられる。このようにテーラーメイドに糖タンパク質を合成する手法の確立によって、糖鎖が介する生命分子システムの動的秩序形成機構の解明が推し進められることが期待される。
(神谷由紀子 名古屋大学・A02 公募研究代表者、佐藤匡史 名古屋市立大学・A03 計画研究分担者)

新学術領域「動的秩序と機能」関連シンポジウムおよび共催イベントの予定
・第 14 回日本蛋白質科学会年会ワークショップ「蛋白質における動的秩序形成と高次機能発現」
ワークピア横浜（神奈川県）

2014 年 6 月 26 日（木）・全体班会議
粟津温泉

おびし荘（石川県）

2014 年 8 月 4 日（月）～7 日（木）・第 3 回国際シンポジウム
合歓の郷（三重県）

2015 年 1 月 10 日（土）～11 日（日）4“Dynamical Ordering & Integrated Functions”
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June, 2014

計画班員の平岡秀一氏の共同研究者・小島達央助教が第 94 日本化学春季年会で優秀講演賞(学術)を受賞
平岡秀一（東京大学大学院総合文化研究科・A02 計画研究代表者）
平成 26 年 3 月 27 日から 30 日まで名古屋大学 東山キャンパスで開催されました、第 94 日本化学会春季年会におきまして、筆者の共同研究者である、小島達央助教が優秀講演賞(学術)を受賞しました。この賞は2006 年より、日本化学会で B 講演を行った 36 歳未満の若手研究者を対象として、発表内容、プレゼンテーション、質疑応答において優れた講演に与えられるものです。今年は、対象となる 195 件の講演の中から 39件が選出されました。
小島さんの発表題目は「不安定アリールリチウムを小島達央さんリチオ化剤とする、ヘキサフェニルベンゼン骨格の選熱力学的な安定な種が生成するというものです。この択的交互型トリリチオ化」で、我々が現在取り組んで手法により、これまで合成が困難であるとされてきたいる、歯車状両親媒性分子の合成手法の開発に関わる交互置換型の物質合成という問題を解決することがで研究です。ヘキサフェニルベンゼンはベンゼン環の周きました。一方、反応で利用する t-BuLi は爆発性のあ

囲に 6 つのベンゼンが結合した分子で、我々が目的とる化合物であるため、大量合成には危険を伴います。

する歯車状両親媒性分子の基本骨格のほか、酸化する

また、この手法を 5 つの臭素を導入したヘキサフェニことでグラフェン断面であるヘキサベンゾコロネンへルベンゼン誘導体へ適用することで、これまで合成が誘導できるなど、広範な利用が期待されている化合物

不可能であった、3 種類の官能基を一選択的に導入し群です。周囲に結合した 6 つのベンゼンに対して官能た化合物郡の合成の道が拓けましたが、化合物によっ基を導入することで、多様な物質開発へ繋がりますが、ては、良好な結果が得られないという問題も抱えていこれらの 6 カ所に選択的にいろいろな官能基を導入しました。

ようとすると、従来の合成手法では大きな制約がありこれらの問題を解決するために、小島さんは、反応ました。例えば、2 種類の置換基を導入する場合、最の鍵となるハロゲン−リチウム交換を見直し、適切なリも対称性の高い構造である交互に置換基が導入された

チウム試剤の開発を行いました。利用するリチウム試化合物の合成は非効率的なものでした。この問題につ剤の安定性、交換後に生じる種の反応への影響を考慮いて、我々は最近、安価かつ大量に合成が可能な 6 つし、2 種類のリチウム試剤をデザインし、これらを用の臭素を導入したヘキサフェニルベンゼン誘導体に対いることでヘキサフェニルベンゼン誘導体に対する選して t-BuLi を作用させることで、容易に交互型のヘキ択的なリチオ化が進行することを見いだしました。今サフェニルベンゼン誘導体を合成できることを見いだ

回開発したリチウム試剤は金属リチウムと対応するアしました(Org. Lett. 2014, 16, 1024.)。本反応は t-BuLi とリールベンゼンから安全かつ大量に合成が可能なことブロモ化されたヘキサフェニルベンゼン誘導体の間でから、選択性の問題加えて危険性の問題も解決され、ハロゲン−リチウム交換が進行し、これが可逆的なため、置換ヘキサフェニルベンゼン誘導体が今後益々、様々な物質合成の鍵物質となるものと期待されます。

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