「揺らぎと生体機能」ニュースレター
No. 1328 December, 2009
業績紹介：GM1 クラスターに結合したアミロイドのトポロジーの超高磁場 NMR 解析
矢木-内海 真穂
（名古屋市立大学大学院薬学研究科）
加藤 晃一（自然科学研究機構・A01 計画研究代表者）

識を施し、920 MHz 超高磁場 NMR 装置を利用した計測を行った。その結果、ピークの広幅化が大幅に改善され、これまでは観測が困難だった GM1 ミセルに結合した状態の A(1-40)の NMR シグナルを観測することに成功した[1]。NMR 解析の結果から、A(1-40)は中

論文題目："Up-and-down topological mode of amyloid

央部分に２つのへリックス構造を形成して GM1 ミセ

-peptide lying on hydrophilic/hydrophobic interface of

ルに結合しており、他の領域は特定の二次構造を形成

ganglioside clusters "していないことが判明した。また、飽和移動実験の結著 者 ： Maho Utsumi, Yoshiki Yamaguchi, Hiroaki

果から、A(1-40)は GM1 クラスターの疎水性部分 (脂Sasakawa, Naoki Yamamoto, Katsuhiko Yanagisawa,質) と親水性部分 (糖鎖) の境界面において、2 つの

Koichi Kato

へリックスと C 末端のジペプチド部分 (Val39-Val40)

雑誌巻号：Glycoconj. J. 26, 999-1006 (2009)は疎水的環境に埋没し、残りの領域 (N 末端領域およびへリックスのリンカー領域) は親水的環境に露出

アルツハイマー病の発症には、アミロイドペプチしているトポロジーを呈していることを明らかとしたド (A) の神経細胞膜への凝集・沈着が深く関わって（図）。

いる。神経細胞膜に豊富に存在する糖脂質である GM1

1

D A E FR

ガングリオシドは、Aの重合を促進する環境因子の１Hydrophilic
Hつとして注目されており、Aと GM1 の複合体が核となって Aの凝集が促進される可能性が提唱されている。本研究では、GM1 ガングリオシドとの相互作用が引き金となって開始する Aの重合メカニズムを解明

DS

GY

10ESV
L
H
F
D GFKH
E VA
Q
V
20

NK

GA
I30

G GV
G
I LMV
V
40

Hydrophobic

するために、超高磁場 NMR 計測を行い、Aと GM1の相互作用の構造的基盤を明らかにすることを試みた。

図: GM1 クラスターの親水性／疎水性 境界面におけるAのトポロジー

まずはじめに、CD スペクトル計測を通じて AとGM1 ミセルおよび lyso-GM1 ミセルとの相互作用に伴以上の結果より、ガングリオシドクラスターは Aう構造変化を解析した。A(1-40)に GM1 ミセルもしく分子の構造遷移を誘起するとともにその特徴的な空間は lyso-GM1 ミセルを添加した場合には、へリックス配置を規定するような環境場を形成していることが明形成を示す CD スペクトルが観測されたのに対し、らかとなった。これにより A同士の特異的な分子間GM1 糖鎖もしくは PG を添加しても典型的なランダム相互作用が促され、重合体形成に至るものと考察されコイル構造を示す CD スペクトルに変化はみとめられる。

なかった。このことから、A(1-40)の二次構造形成に今後は、今回同定した構造変化の先にあると考えら

は GM1 が多数集合してクラスターを形成する必要がれる現象、すなわち、特徴的なトポロジーにより規定あることが明らかとなった。

される A-A分子間の過渡的な相互作用を詳細に捉え、次に、GM1 ミセルに結合した A(1-40)の構造を明らAの重合開始のメカニズムを段階的に明らかにしていきたい。

かにするために、安定同位体標識 NMR 解析を行った。
しかしながら、分子量 14 万の巨大な GM1 ミセルに結合した A(1-40)はシグナルが広幅化してしまい、観測参考文献が困難であった。そこで、信号の広幅化をもたらす非13

選択的な磁気－双極子相互作用を断ち切るために、 C、[1] K. Kato et al., Biochim. Biophys. Acta. 1780, 619-625

15(2008).

2

N に加えて H を用いて A(1-40)に安定同位体三重標

1

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No. 1328 December, 2009
業績紹介：電位依存性プロトンチャネルプロトン透過の温度依存性
老木 成稔（福井大学医学部・A03 公募研究代表者）

除外し、チャネル分子内でのプロトン透過過程の温度依存性を抽出することに成功した。その結果、チャネ
ル分子内プロトン透過に伴う活性化エンタルピーが約

論文題目：“Temperature dependence of Proton Permeation
through a Voltage-Gated Proton Channel.”
著者：M. Kuno, H. Ando, H. Morihata, H. Sakai, H. Mori,
M. Sawada & S. Oiki:
雑誌巻号：J. Gen. Physiol. 134: 191-205 (2009)

60 kJ/mol であることを明らかにした。他のイオンチ
ャネルの活性化エンタルピー（約 30 kJ/mol）と比較
するとプロトン透過は高値を示し、プロトン透過の特殊性を物語る。Hv チャネルの分子実体が最近クローニングされており[3]、プロトン選択・透過機構との関

生体には様々なイオンを透過させるチャネル蛋白質が連が今後の研究対象である。

存在する。その中で、プロトンチャネル（電位依存性プロトンチャネル： Hv チャネル）が神経細胞はじめ様々な細胞で発見されている（Meech 1982）。プロトン以外のチャネルでは、狭いイオン透過路（ポア）に入り込む際にイオンが脱水和される過程が不可欠であることが示されている。水溶液中で他のイオンとは異なる移動様式（Grotthuss 機構）をとるプロトンはチャネルの中でどのような透過様式をとるのだろうか。
Hv チャネルのプロトン透過機構を明らかにするために、私達はプロトン流の温度依存性を測定した。プロトンチャネルの単一チャネルコンダクタンスは 1 pS以下であり測定が困難なため、microglia 細胞に発現する多数のチャネルからのプロトン電流を測定した（全細胞電流記録）。このチャネルは脱分極電位でチャネルを開口し、プロトン流が観察できる。チャネルが

図 温度ジャンプ法で求めたプロトン電流の温度依存

開口する数秒から数 10 秒の間に細胞を高い温度の潅性を Arrhenius プロットから Q10 （温度差 10 度での流液に瞬間的に変化させ 1 秒間だけ暴露させる。温度電流比）に変換して示した。点線は等エンタルピー曲

ジャンプ前後の電流値からプロトン流の温度依存性を線。

精密に測定することができた。この方法は以前、浸透圧ジャンプのために開発したものであるが[1,2]、温度参考文献

ジャンプに関しては heat ジャンプだけでなく cool ジ[1] H. Ando, M. Kuno, H. Shimizu, I. Muramatsu and S.

ャンプも行え、広い温度範囲（4～48℃）での実験がOiki: Coupled K+-Water Flux through the HERG Potassium

可能となった。プロトン電流の温度依存性をChannel Measured by an Osmotic Pulse Method. J. Gen.

Arrhenius plot すると直線とはならず、大きく上に凸Physiol. 126, 529-538 (2005).の曲線を示した。これはプロトン透過過程に複数の物[2] 老木 成稔、安藤博之、久野みゆき、清水啓史、岩理化学的過程が含まれていることを示唆する。その中

本真幸：K チャネルのイオン透過機構：流動電位によでアクセス抵抗に注目した。これは、プロトンがバルるアプローチ。生物物理 48, 246-252, (2008).

クからポアの小さな入口に移動する際に、流束が幾何[3] F. Tombola, M.H. Ulbrich and E.Y. Isacoff: Architecture

学的に収束し、電気的抵抗が発生することによって起and gating of Hv1 proton channels. J Physiol. 587,

こる。この抵抗の寄与を実験的に初めて求めることが5325-5329, (2009).

できた。測定電流からアクセス抵抗に起因する成分を2

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No. 1328 December, 2009
寺嶋グループの近藤正人君が第三回分子科学討論会で優秀講演賞を受賞
寺嶋正秀（京大院理・A01 計画研究代表者）

を用いて、光修復後の様々な時間スケールでの分子拡散の様子を観測することで、光修復反応における分子拡散過程の変化を観測しました。その結果、酵素が生

平成 21 年 9 月 21 日（月）から 24 日（木）まで、成物を放出する過程を分子拡散過程の変化として観測

名古屋大学で開催された第三回分子科学討論会の口頭でき、その速度が 50 μs であると決定することに成功

講演において、当研究室の大学院生である近藤正人君しました。今回の受賞はこの優れた研究発表に対してが優秀講演賞を受賞いたしました。分子科学討論会は与えられたものです。ここで見られた新しいアプロー

分子科学会の主催する最も主要な学術会合です。第三チは生体機能の理解に不可欠な生体分子間（蛋白質－回となる今回も 1,200～1,300 名の参加、約 900 件の蛋白質間、蛋白質－リガンド間など）の相互作用ダイ研究発表（口頭講演約 350 件、ポスター講演約 550 件）

ナミクスの検出法として応用できることが期待されまが行われました。優秀講演賞は討論会の一般口頭講演す。他の手法で揺らぎ制御が可能となったとき、揺らにおいて優秀な発表を行った 33 才未満の若手研究者

ぎの大きさが相互作用ダイナミクスに与える効果を調もしくは学生に対して贈呈される賞で、今回は 9 件のべるための手法としても活躍すると考えています。

発表が選定されました。
近藤君は「光回復酵素の DNA 修復反応における酵素－基質間相互作用ダイナミクス」という講演題目で発表を行いました。光回復酵素は紫外線で損傷を受けた DNA（基質）を修復する酵素です。その DNA 修復反応は古くから知られ、多くの研究者の興味を惹きつけてきました。これまでに提案されてきた修復反応サイクルでは、まず酵素が暗状態で損傷を認識し、基質と複合体を形成します。光を受けることで酵素から基質へと電子移動が起こり、損傷の修復が行われます。
最終的に、酵素は修復された DNA（生成物）を放出することでサイクルを閉じ、次の新しい修復サイクルに備えます。このように一連の修復反応において、酵素と基質は電子の授受や解離会合といった形で多くの相互作用を行います。これらを捉えていくことは修復反応の理解に不可欠な課題ですが、光修復反応における相互作用ダイナミクスに関する情報は限られたものであり、特に修復サイクル後半の生成物の放出過程に関しては全く得られてきていません。そのような酵素と基質全体で起きる相互作用過程を時間分解で捉えることが従来の手法では不可能であったためでした。近
藤君はこうした相互作用過程を捉えるために、分子拡散過程に注目しました。光修復後に酵素が生成物を放出するとすれば、修復後には生成物の拡散過程も観測されるため、修復前と異なる分子拡散の様子が観られるはずだというアイデアです。そこで過渡回折格子法

3

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No. 1328 December, 2009平野健司氏および飯田健二氏が、分子科学討論会・溶液化学シンポジウムにおいて優秀ポスター賞を受賞
佐藤啓文（京都大学工学研究科・A01 公募研究代表者）

同君の他に博士後期課程大学院生・城戸健太朗君、私と榊教授の共著によるものです。この研究では電解質溶液中での並進エントロピーを積分方程式に基づいて

平成 21 年 9 月 21 日から 24 日まで、名古屋大学東山評価し、濃度による差異を分子論的立場から理解しよキャンパスで開催された第三回分子科学討論会においうとするものです。元来エントロピーは比較的計算がて、修士課程の大学院生平野健司君が優秀ポスター賞

難しい物理量ですが、濃度依存性を系統的に調べようを受賞しました。また、平成 21 年 11 月 18 日から 20とすると更に困難が増します。飯田君の研究は、水溶日まで、新潟・朱鷺メッセで開催された第 32 回溶液化液の基礎的性質の理解を深める上で極めて重要な寄与学シンポジウムにおいて、博士後期課程の大学院生でをするものとして期待されています。なお、同君は昨日本学術振興会特別研究員（DC1）の飯田健二君が優秀年度の「アミンによる二酸化炭素吸着についての理論ポスター賞を受賞しました。二人は本領域研究評価委的研究」に続いての二年連続受賞です。

員の榊茂好教授の研究室の大学院生であり、筆者佐藤両君の受賞を心からお祝いするとともに、基盤的物理も共同研究者です。平野君の受賞した優秀ポスター賞

化学の立場から生体分子系の理解を進めるべく、一層は、物理化学分野の最も大きな学会である分子科学討の精進をはかっていきたいと考えております。

論会において発表される６００件近くのポスターの中から、学生による発表のみを対象として１０件が選ばれるものです。一方、飯田君のポスター賞は７０件あまりの発表から３５歳以下の講演者を対象に、今回３件が選ばれました。
平野君の研究は「3 次元溶媒和構造の解析法の開発と Bacteriorhodopsin への応用」と題するもので、同君の他に横川大輔博士（阪大蛋白研）、私と榊教授の共著によるものです。3D-RISM 法や MD 法など、蛋白質近傍あるいは内部の水和構造を理論化学・計算化学的に平野君の賞状と受賞する飯田君高精度で得ることが最近徐々に現実となってきました。
我々も並列化効率の極めて高い統計力学的方法を開発し、既にいくつかの蛋白質への応用計算を展開してい参考文献ます。これに伴い計算結果を適切に解析する方法も必[1] “A highly parallelizable integral equation theory for

要となってきました。平野君の研究は、水和水（あるthree-dimensional solvent distribution function: Application

いは内部水）を物理化学的に特徴づけるために、そのto biomolecules”, D. Yokogawa, H. Sato, T. Imai, and S.

分布を Gauss 型関数でフィットすることで確率密度、

Sakaki, J. Chem. Phys.,130, 064111 (2009).

あるいは分布の広がり（すなわち「揺らぎ」）を定量的[2] “The position of water molecules in Bacteriorhodopsin:に評価しようとする試みです。Bacteriorhodopsin のA three-dimensional distribution function study”, D.

内部水を例とした結果は極めて妥当であり、直感的あ

Yokogawa, H. Sato, S. Sakaki J. Mol. Liq., 147, 112

るいは感覚的な議論をより客観化して行くための一つ(2009).の方法を提案しています。

[3] “Carbon dioxide capture at the molecular level”, K Iida,

一方、飯田君の研究は「単原子電解質水溶液の並進エ

D. Yokogawa, A. Ikeda, H. Sato, S. Sakaki, Phys. Chem.

ントロピーの濃度依存性における水の役割 」であり、Chem. Phys., 11, 8556 (2009).

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No. 1328 December, 2009
上岡班員らの研究成果が新聞に掲載される。
A03 班、計画研究代表者の上岡龍一教授の研究成果が熊本日日新聞に掲載されました（11 月 30 日）。

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