「揺らぎと生体機能」ニュースレター
No. 3625 November, 2011
業績紹介：中性子小角散乱で探るホモオリゴマータンパク質の４次構造の揺らぎ
加藤晃一（自然科学研究機構・A01 計画研究代表者）

条件下でサブユニット交換が進行し、α7 の標識体と非標識体が混在したホモ 14 量体が形成されれば、中性子散乱強度は低下することが期待される。実際に、α7

論文題目："Kinetic asymmetry of subunit exchange of

ホモ 14 量体の標識体と非標識体を混合すると、数時間

homooligomeric protein as revealed by deuteration-assistedというゆっくりとした時間域で散乱強度の低下が観測

small-angle neutron scattering"

された（図）。同一条件下での X 線小角散乱では、こ著者：Masaaki Sugiyama, Eiji Kurimoto, Hirokazu Yagi,

うした変化は観測されなかったことから、溶液中でのKazuhiro Mori, Toshiharu Fukunaga, Mitsuhiro Hirai,

4 次構造は安定に保たれていることが確認された。

Giuseppe Zaccai, and Koichi Kato

意外なことに、速度論解析の結果、交換可能なサブ

雑誌巻号： Biophys. J., 101, 2037-2042 (2011)

ユニットはホモ 14 量体中で 2 つのみに限られることが明らかとなった。さらに興味深いことに、それらのサ

生体内に存在するタンパク質の多くは多数のサブユ

ブユニット交換は 2 段階の過程からなっていることがニットから構成されるオリゴマーとして存在している。

示された。このことは、交換可能な 2 つのサブユニッ

こうしたタンパク質の４次構造のダイナミクスを解明

トがそれぞれ、活性型と不活性型の 2 状態を行き来しすることは、その機能発現機構やサブユニット会合機ており、活性型の間でのみサブユニット交換が起こる

構を理解するうえで重要である。しかしながら、同一と考えることでうまく説明することができる（図）。

サブユニットから構成されるホモオリゴマータンパク

これまではプロテアソームのα7 サブユニットは、質に関して、その水溶液中における動態を非侵襲的に

ホモ 14 量体中で等価な構造をしているとみなされて解析する方法論はこれまであまり知られていない。そいたが、サブユニット交換の速度論解析からその 4 次

こで我々は、タンパク質の重水素標識を利用した中性構造の非対称性が浮かび上がってきた。本方法は今後

子小角散乱（SANS）法により、ホモオリゴマータン

様々なオリゴマータンパク質に応用可能であり、4 次

パク質のサブユニット交換の速度論解析を行う方法を

構造の揺らぎに関する有用な知見をもたらすことが期

本論文で提唱した。

待される。

本論文では、ホモオリゴマータンパク質のモデル系としてプロテアソームのα7 サブユニットのみからなるホモ 14 量体を用いた。
プロテアソームは多種類のサ
ブユニットから構成される巨大なタンパク質分解酵素複合体であり、α7 は本酵素複合体の中核に位置する
リング状構造体を構築する 7 種類のαサブユニットの1 つである。我々は中性子小角散乱を用いて、α7 サブ
ユニットが水溶液中で自発的に集合し、リング状の構造を呈するホモ 7 量体が 2 つ重なり合った 14 量体を形成することを既に報告している[1]。
本研究では、大腸菌発現系を利用して重水素標識を
SANS プロファイルの経時変化と、その解析の結施したα7 サブユニットのホモ 14 量体を調製し、これ図を非標識 14 量体と混合した後の SANS プロファイル

果提唱されたプロテアソームα7 ホモ 14 量体におけるの経時変化を追跡した。その際あらかじめ 3 次元構造

サブユニット交換反応のモデル。

モデルに基づいて、ホモ 14 量体の重水素標識体と非標

参考文献

識体の中性子散乱長密度をもとめておき、それら中間[1] M. Sugiyama et al., Nucl. Instrum. Methods Phys. Res.

の値を示す溶液（81%重水）中で実験を行った。このA., 600, 272-274 (2009)1

「揺らぎと生体機能」ニュースレター
No. 3625 November, 2011
業績紹介：ユビキチン 2 量体のコンフォメーションのダイナミクス
ン 2 量体を調製することにも成功しており、NMR 解加藤晃一（自然科学研究機構・A01 計画研究代表者）

析によって環状 2 量体は従来報告されていたのと同様の閉構造を有していることを明らかにした。以上の結論 文 題 目 ： "Conformational dynamics of wild-type

果より、野生型ユビキチン 2 量体は水溶液中で開構造

Lys-48-linked diubiquitin in solution"と閉構造の動的平衡にあると考え、NMR 解析によっ

著者：Takashi Hirano, Olivier Serve, Maho Yagi-Utsumi,てそのダイナミクスを定量的に明らかにすることを試

Emi

みた。具体的には、ユビキチンの単量体と環状 2 量体

Takemoto,

Takeshi

Hiromoto,

Tadashi

Satoh,

Tsunehiro Mizushima, and Koichi Katoをそれぞれ開構造と閉構造のモデルとして、野生型 2

雑誌巻号：J. Biol. Chem., 286, 37496-37502 (2011)

量体との NMR 化学シフトの比較解析を行った。その結果、Lys48 を介して連結された野生型ユビキチン 2

ユビキチンは 76 残基からなる小さなタンパク質で量体の 75%は、pH7.0 において開構造を形成しているあるが、酵素反応のカスケードにより活性化された Cことが示された。さらに、溶液 pH を下げるにつれて末端カルボキシル基を介して他のタンパク質に連結す開構造の占める割合は増大し、pH4.5 では専ら開構造

る性質を有している。特に、ユビキチン同士が（イソ）のみとなった。

ペプチド結合を介して連結されることにより形成されユビキチンの疎水表面の周囲には塩基性アミノ酸残る重合体は、それが修飾するタンパク質の細胞内にお基が分布しており、それらの間の静電反発が pH 低下

ける機能や運命を制御する働きをもっている。なかでに伴う閉構造の不安定化をもたらしているものと考えも、Lys48 を介して連結されたポリユビキチン鎖は、られる。実際、疎水表面に位置する His68 をバリンに

プロテアソームによるタンパク質分解の目印として機置換したユビキチン 2 量体では、閉構造の割合が有意能している。

に増大していた。

これまで、様々な連結様式のユビキチン 2 量体の立本研究により、Lys48 を介して連結されたユビキチ体構造が研究されており、Lys48 を介して連結された

ン 2 量体は、従来考えられていたのとは異なり、水溶ユビキチン 2 量体については、ユビキチン分子表面の液中で疎水表面を露出した開構造を専ら呈しているこ

疎水性領域がドメイン間相互作用により遮蔽された結とが明らかとなった。このことは今後ユビキチンの分晶構造が専ら報告されていた。また、NMR 解析にお子認識を研究するうえで重要な知見となるものと思わいても Lys48 型ユビキチン 2 量体は水溶液中では疎水れる。

表面を遮蔽した閉構造が主に形成されていることが報告されてきた。しかしながら、ポリユビキチン鎖がタンパク質分解経路で機能する際には、こうした疎水表面を介して他のタンパク質と相互作用していることが知られている。また、これまでの NMR 研究には、連結部位にあたる Lys48 と C 末端部に変異を導入することにおり調製されたユビキチン 2 量体が用いられてきた。そこで本研究では、試験管内酵素反応を工夫する
Lys48 を介して連結された野生型ユビキチン 2 量ことによって調製した野生型ユビキチン 2 量体の立体図

構造解析を行った。

体は溶液中で 2 つのコンフォメーションの平衡にある

まず、野生型ユビキチン 2 量体について X 線結晶構が、その主体は疎水表面を露出した開構造であった。
His68（橙）と Val70（青）の側鎖を表示した。

造解析を実施したところ、本タンパク質は疎水表面を露出した開構造を呈していた。一方、我々は 2 つのイソペプチド結合を介して環状構造を形成したユビキチ

2

「揺らぎと生体機能」ニュースレター
No. 3625 November, 2011
業績紹介：糖鎖の改変による治療抗体の有効性向上の構造基盤が増大し、ADCC 活性が向上することの理由の 1 つで加藤晃一
（自然科学研究機構・A01 計画研究代表者）ある。また、これまで我々の NMR 解析[1]により、Fc
非フコシル体の Tyr296 はレセプター非存在下では複論 文 題 目： "Structural basis for improved efficacy of

数のコンフォメーションをとっていることを示していtherapeutic antibodies upon defucosylation of their Fc

たが、本研究で明らかにした複合体中では本残基の側glycans"

鎖芳香環が sFcγRIIIa の糖鎖と Lys128 に挟まれるかた

著者：Tsunehiro Mizushima, Hirokazu Yagi, Emi Takemoto,

ちで複合体の安定化に寄与していた（図右）。これに対Mami, Shibata-Koyama,

して、フコシル化された Fc では、フコースが Tyr296 とYuya

Isoda,

Shigeru

Iida,

Kazuhiro Masuda, Mitsuo Satoh, and Koichi Kato

分子内で相互作用してその動きを拘束しており、Fc と雑誌巻号：Genes Cells, 16, 1071-1080 (2011)

sFcγRIIIa との相互作用に対して抑制的にはたらいていると予想される（図左）。このこともフコースの除去

免疫グロブリン G（IgG）は生体防御システムにおに伴って FcγRIIIa との親和性が向上する要因であるといて抗体としての中心的な役割を担っている多機能糖考えられる。

タンパク質である。IgG の Fc 領域には 2 本鎖 N 型糖本研究により、IgGのFc 上のフコース残基は、糖鎖鎖が結合している。この糖鎖上のα1,6 フコース残基を間の相互作用およびアミノ酸残基の運動性を制御する

欠損させると、ナチュラルキラー細胞（NK 細胞）上ことによって、ADCC活性に影響を与えていることをに発現されている FcγレセプターIIIa（FcγRIIIa）に対明らかにした。

する IgG-Fc の親和性が有意に増大し、その結果、NK細胞を介した抗体依存性細胞障害（ADCC）活性が劇的に向上することが示されている。このことは抗体医薬の高機能化の有効な戦略として注目されている。本
研究では、X 線結晶構造解析を基軸に、こうした IgGの糖鎖の改変による ADCC 活性上昇の構造基盤を解明することを試みた。
我々は、細胞外領域のみからなる可溶型 FcγRIIIa（sFcγRIIIa）と Fc の非フコシル体の複合体の構造解析を行った。ヒト sFcγRIIIa は 5 個所の N 型糖鎖結合部位を有するが、結晶化にあたっては、そのうちの 2 個所（Asn45 と Asn162）のみを残して他を点変異によりグルタミンに置換した試料を用いた。こうして
図 Fc のフコース残基は sFcγRIIIa の糖鎖との間でFc-sFcγRIIIa 複合体の結晶構造を 2.2 Å 分解能で決定す立体障害を引き起こすだけでなく、分子間相互作用にることに成功した。
興味深い ことに、 複合体の 結晶構造 から Fc と重要なアミノ酸残基(Y296)の動きを抑制することに

sFcγRIIIa の複合体は、タンパク質間相互作用のみならよって活性を負に制御する。
（左）フコシル化された

ず、糖鎖とタンパク質の間の相互作用、さらには糖鎖Fc と sFcγRⅢa の複合体の 3 次元構造モデル。
（右）非同士の相互作用により安定化されていることが明らか

フコシル体 IgG-Fc と糖鎖修飾 sFcγRIIIa の複合体の結となった。しかしながら、Fc の糖鎖がフコシル化され晶構造（PDB:3AY4）。

ると sFcγRIIIa の Asn162 糖鎖に対して立体障害を生じ、複合体は不安定化すると考えられる（図左）
。このこと

参考文献

が、フコースの除去に伴い IgG の FcγRIIIa への親和性[1] S. Matsumiya et al., J. Mol. Biol., 368, 767-779 (2007)3

「揺らぎと生体機能」ニュースレター
No. 36
November 25, 20１１
業績紹介：3 次元 RISM 理論に基づくドラックデザインへ向けた解析手法の開発と応用であり、この結果は X 線構造をほぼ再現している。

吉田紀生（分子研・A03 計画研究分担者）
平田文男（分子研・A03 計画研究代表者）

ここで定義した二つのスコア関数のうち位置を決定するためのスコア関数は、リガンド分子全体の平均的

論文題目："A new approach for investigating the molecular

確率分布を表す。
解析の結果、
結合サイトのみならず、

recognition of protein: Toward structure-based drug-design

タンパク質表面にもこのスコア関数に複数のピークがbased on the 3D-RISM theory"

現れることから、これらはリガンド分子の着脱過程に

著者：Yasuomi Kiyota, Norio Yoshida, and Fumio Hirata

おける経路や中間体を示していると思われる。

雑誌巻号：J. Chem. Theory Comput., 7, 3803–3815 (2011)
我々のグループでは、これまでに液体の統計力学に基づいた 3D-RISM 理論により、多くのタンパク質の分子認識過程を理論的に解析してきた[1]。タンパク質の分子認識は多くの生体内反応の初期過程であり、その機構を解明することは、生理作用、薬理作用を分子論的に議論する際の基点となる。3D-RISM 理論により分子認識を扱うことの利点は、生体内環境である溶媒を考慮したうえで、認識される分子の 3 次元分布関数を直接的に得 られる点にある。しかし、 これまでのスキーム 1： uu-3D-RISM 法のアルゴリズム.

3D-RISM 理論を用いた研究では、リガンド分子が大きくなるに従って、RISM 方程式の数値解の発散傾向が急速に増大するという困難があった。本研究では、この問題を克服するため、多サイトを持つリガンド分子を 溶 質 （ 無 限 希 釈 下 ： ργ ＝ 0 ） と し て 扱 う 手 法(uu-3D-RISM 法)を提案し、創薬分野でのモデルタンパ
ク質の一つとされる Phospholipase A2 について、アス
ピリンが結合する系[2]についての検証を行った。
uu-3D-RISM 法は、従来の 3D-RISM 方程式を拡張した手法である（スキーム 1）。従来の手法では、リガン

図 1： アスピリン配置の理論予測(赤)と X 線構造 (青).

ド分子を含んだ溶媒系によりタンパク質-溶媒系を解くのに対して（スキーム 1 内の uv-3D-RISM に相当）、
uu-3D-RISM 法では、リガンド分子-溶媒系においても参考文献

リガンド分子を溶質として取り扱い（uv-1D-RISM）、[1] (a) T. Imai, R. Hiraoka, A. Kovalenko, F. Hirata, J. Am.

それを用いてタンパク質-リガンド分子系を解く。このChem. Soc., 127, 15334 (2005): (b) N. Yoshida, S.

uu-3D-RISM 法を用いて、アスピリンの 3 次元分布関Phongphanphanee, and F. Hirata, J. Phys. Chem. B, 111,数を求めた。得られた 3 次元分布関数からリガンド分

4588-4595 (2007).

子の結合モードを決定するため、平均的位置分布及び[2] R. K. Singh, A.S. Ethayathulla, T. Jabeen, S. Sharma, P.

配向分布に関するスコア関数を定義し、それらに基づ

Kaur, and T. P. Singh, J. Drug Target. 13, 113-119 (2005)

きリガンド分子の位置および配向を解析した。
この系についての解析結果を図 1 に示す。図は、定義したスコア関数におけるトップスコアの結合モード

4

「揺らぎと生体機能」ニュースレター
No. 3625 November, 2011
業績紹介：高速でモデル細胞膜に結合・解離を繰り返す疎水性薬物の運動状態を NMR で in situ 計測
態間の交換を考慮した Bloch 方程式から化学シフト ω

岡村 恵美子（姫路獨協大薬・班友）の関数としてM (ω ) M B (ω ) + M F (ω )=論 文 題 目 ： "Binding of Hydrophobic FluorinatedBisphenol A to Large Unilamellar Vesicles of Egg=

Phosphatidylcholine"

M 0 β F f B + kFB f F + β B f F + kBF f Bπβ B β F − kBF kFB

著者：Noriyuki Yoshii and Emiko Okamuraと表して、膜への結合・解離の速度定数 kFB・kBF を決

雑誌巻号：J. Phys. Chem. B 115, 11074-11080 (2011)

定した。図 3 のように実測のシグナルに上式をフィッ
ティングした後、FBPA の結合と解離の時定数を算出

細胞膜への薬物の結合・解離挙動や膜のなかの運動したところ、30 ℃でミリ秒～十ミリ秒のオーダーとな

状態は、ソフトな膜の揺らぎと密接に関係している。

り、高速でバルクと膜の間を行き来する FBPA の運動

我々は、これまでに、高分解能溶液 NMR とパルス磁を NMR で定量化することができた。

場勾配法を組み合わせて、膜中の薬物の拡散運動、膜また、FBPA がどの程度効率的に膜のなかに取り込への結合と解離のキネティクスを in situ で計測し定量まれるか（図 2 右）を見積もった。拡散して膜表面に化する方法を独自に開発した[1,2]。本研究では、内分到達した分子が約 20 回に 1 回の割合で膜内に移行する

泌かく乱物質・ビスフェノール A フッ素置換体（FBPA、

ことが明らかとなった。これは親水性の抗がん剤・5-

図 1）を薬物に用いて、高速で膜への結合・解離を繰

フルオロウラシルの結合効率の約 70,000 倍であり、り返す FBPA の運動を NMR で初めて明らかにした。

FBPA が非常に疎水的であるためと考えられる。

FBPA は水への溶解度が極端に低い（30 ℃における

NMR 計測は、揺らぎをともなう膜へのドラッグデ

溶解度：約 60 µM）。そのため、細胞膜のモデルとしてリバリー研究に有効な方法であり、今後、ペプチド・

リン脂質一枚膜ベシクル(直径 100 nm)を加えると、高タンパク質の膜への結合と解離のキネティクス、膜の濃度のベシクル溶液中で、FBPA 分子のほぼすべてがなかの運動状態の解析への展開が期待される。

∆G は約-20 kJ/mol であり、エントロピー駆動により膜

参考文献

中に容易に移行する様子が明らかとなった（図 2 左）。

[1] E. Okamura et al., J.

19

いずれも、
FBPA の 1D F NMR スペクトル(図 3)は、

Chem. Phys. 129, 215102

結合状態(B)と解離状態(F)を区別することができない。

(2008). [2] N. Yoshii et al.,FBPA が高速で結合・解離を繰り返す rapid exchange のChem.

状態にあり、2 状態 (B と F) が平均化されたシグナル

357-361 (2009).

Phys.

Lett.

Intensity (arbitrary unit)

ベシクルに結合した。結合に伴う自由エネルギー変化

474,になっていることedによる。そこで、

c

FBPA の 1D NMRba

シグナル強度を、

-63.5
-64.0
-64.5
Chemical shift (ppm)

結合・解離の 2 状

図 3：0 (a) - 40 mM (e) のベ
シクルと混合した FBPA の19

F NMR スペクトル. 黒が

図 1：FBPA の構造

図 2：ベシクル内への FBPA の輸送過程：（左）膜への実測、赤がフィッティング

結合と解離、（右）動的な結合効率結果を示す.

5

「揺らぎと生体機能」ニュースレター
No. 3625 November, 2011
公開シンポジウム報告
蛋白質の機能を解き明かす多彩なアプローチ
19 種類のアミノ酸へと網羅的に置換し，活性を測定し

渕上壮太郎（横浜市大）
鎌形清人（東北大）
木寺詔紀（横浜市大・元 A01 公募研究代表者）
芳坂貴弘（北陸先端大・A02 計画研究代表者）

た結果が紹介されました．この実験により，酵素活性にアミノ酸の特性はあまり関係がなく，疎水ポケットが形成されていることが重要であるとの結論が導かれ，実際に酵素活性のないタンパク質に適当な疎水ポケッ

2011 年 10 月 17, 18 日の 2 日間に渡って，横浜市立

トをデザインするによってこの仮説が肯定的に確認さ大学鶴見キャンパスにおいて，公開シンポジウム「蛋れたのは驚きでした．さらに，基質タンパク質の相互白質の機能を解き明かす多彩なアプローチ」が本新学

作用部位の網羅的なアミノ酸変異（飽和変異）による術領域研究の共催で開催されました．本シンポジウム

基質特異性の解析結果についても報告され，網羅的なは，2010 年 3 月 4, 5 日に，東北大学多元物質科学研究

変異解析が酵素活性の必要十分条件を明らかにしたり，所において開催された公開シンポジウム「蛋白質の基

思いもよらない相互作用の重要性を発見できたりとタ質結合や構造変化における分子揺らぎの意義を討論す

ンパク質の機能を理解する上で強力な手法であることる会」（本ニュースレターNo.16 の報告を参照）に続くを再認識させられました．一方で，膨大な数の変異体

第 2 回目のシンポジウムとして企画されました．当初を効率的に，かつ，安価に作成できる手法の開発が大は 2011 年 3 月に開催の予定でしたが，東日本大震災のきな課題であると考えられます．

発生により開催を延期せざるを得ませんでした．半年

続いて，新井宗仁准教授（東大，A02 公募研究代表

ほど遅れての開催となりましたが，当初予定していた者）から「蛋白質による標的分子認識のメカニズム」

通りのプログラムで無事開催することができました．

というタイトルで 3 つの研究成果が紹介されました．

講演をお引き受け下さった講演者の方々にこの場を借

まず，ジヒドロ葉酸還元酵素（DHFR）の飽和変異解りて厚く御礼申し上げます．

析の結果から，DHFR が安定性を犠牲にし，大きな揺今回のシンポジウムでは，タンパク質の機能が実現

らぎを許容することによって高い活性を実現している

される分子機構を解明するためには「アミノ酸配列とことが報告され，stability-activity trade-off というタン機能の関係」や「構造揺らぎと機能の関係」を実験と

パク質特有のメカニズムが明らかにされました．
次に，理論を含む多様なアプローチを用いて明らかにする必すべてのアミノ酸残基をアラニンに置換するという要がある，という認識にもとづき，アミノ酸配列空間

Ala スキャン解析によって，
転写コアクチベーターCBPの網羅的な解析や最先端手法による構造揺らぎの解析の KIX ドメインが転写因子 MLL と相互作用するのにに取り組んでおられる 7 名の方々に講演をしていただ
きました．また，忌憚ない意見のやり取りによって実験と理論の相互理解を深め，一体となった取り組みを増進することを目的として，インフォーマル・ミーテ
ィングも企画しました．以下に，本シンポジウムでなされた講演の概略や議論の一端について報告いたします．
本シンポジウム最初の講演は，伊倉貞吉准教授（東京医科歯科大）によって「ペプチジルプロリルイソメ
ラーゼの機能のアミノ酸配列依存性」と題して行われました．本講演では，プロリン異性化酵素の触媒機構を解明するため，酵素活性部位のアミノ酸残基を他の木寺教授による挨拶からシンポジウムがスタート

6

「揺らぎと生体機能」ニュースレター
No. 3625 November, 2011
重要なアミノ酸残基が特定された例が紹介されました

方，Swi5-Sfr1 複合体では，X 線小角散乱で決定された（本ニュースレターNo.25 の報告も参照）．最後に，天モデル構造との比較が行われ，大きな食い違いが生じ

然変性タンパク質 p53 のタンパク質間相互作用が核磁ていることが判明しました．その原因として，Sfr1 の気共鳴法と等温滴定型熱量測定による解析で明らかに

天然変性領域の立体構造が計測手法によって大きく変され，p53 のリン酸化による活性化メカニズムの詳細化することが考えられます．このように，本手法にはが提示されました（本ニュースレターNo.25 の報告も様々な問題点が残されているようですが，他の手法で参照）．いずれの話題においても，目的に合わせた適切は得られない情報を与えてくれる手法ですので，今後，な実験手法が選択され，網羅的かつ緻密な解析によっ幅広く利用されていくことが予感されます．

て説得力のある結論が導かれていたのが印象的でした．

１日目最後の講演は，山根努特任助教（横浜市大）

次の講演は，丹羽達也助教（東工大）による「無細から「多剤排出トランスポーターAcrB の全原子分子

胞蛋白質合成系を利用した蛋白質凝集の網羅的解析」

動力学シミュレーション」というタイトルで行われまについてでした．大腸菌の全タンパク質を無細胞合成した．AcrB は，細胞膜を介して形成された水素イオン

系によって発現させることで，タンパク質の凝集能をの濃度勾配を駆動力として，様々な薬剤を細胞外に排網羅的に調べるという内容は圧巻の一言でした．タン

出します．水素イオンは AcrB の膜貫通部位を通過しパク質の多様性を考えると凝集能も千差万別だと想像ますが，その経路を実験的に決定することは容易ではされますが，実際には凝集し易いものとし難いものにありません．一方，計算機を用いる場合，タンパク質

大きく二分できることが明らかにされ，この違いを生側鎖のプロトン化状態を仮定し，シミュレーションをみ出している要因について多角的な検討結果が報告さ行うことで，機能中に実現している状態，および，それました．水溶性タンパク質と膜タンパク質という分の変化を推測することが可能です．実際，AcrB を脂質類で単純に理解することができず，決定的な要因を特二重膜中に埋め込んだ系が作成され，100 ns におよぶ定できていないところにタンパク質の奥深さを実感さ

計算によって，機能発現におけるプロトン化状態の変せられました．さらに，凝集し易いタンパク質に対し化や水素イオンの輸送経路の推定結果が紹介されまして，分子シャペロンによる凝集抑制効果が網羅的に調た．ひとつひとつの原子の動きを追うことができるシ

べられ，その効果がシャペロンの種類によって異なる

ミュレーションの強みが遺憾なく発揮された研究だとことが示されました．これらの貴重なデータは網羅的言えるでしょう．今後は，膜貫通領域におけるプロトな解析を短時間で行うために随所に凝らされた工夫のン化状態の変化がどのように薬剤を排出する動きへと成果であり，今後，定量性の向上や解析手法の発展に繋がるのか，分子メカニズムの解明が待たれます．

よって新たな真理が発見されることが期待されます．

１日目の講演終了後には懇親会が開催されました．

休憩を挟んだ後，明石知子准教授（横浜市大）の講

お酒も入り，リラックスした雰囲気の中，シンポジウ

演「機能するタンパク質の構造変化を質量分析で探ムの講演者・参加者の方々の間で，本日の講演に関する」で再開しました．まず，トリプトファン合成制御
因子 TRAP とその抑制因子 Anti-TRAP の複合体を例に，
タンパク質複合体のストイキオメトリーを手早く確実に同定することができる質量分析の利点が紹介されました．続いて，タンパク質の形状の違いを検出できる
イオンモビリティ質量分析について，その原理が説明され，具体例として，ヒストン H2A/H2B 二量体と相同組換えに関わる Swi5-Sfr1 複合体の 2 つの結果が報告されました．H2A/H2B 二量体の観測結果は X 線結晶構造解析で決定された立体構造と矛盾しないものでしたが，末端部分の多くの欠損残基を考慮していない
ことから， 結果の妥当性に若干の疑問が残ります．一

歓談で盛り上がる懇親会の様子

7

「揺らぎと生体機能」ニュースレター
No. 3625 November, 2011
る質問や議論はもとより，タンパク質の機能実現の分

昼食後には，開催地である横浜市大鶴見キャンパス

子機構について幅広い意見交換が活発に行われました．

の実験施設を見学したいという要望がありましたので，

2 日目最初の講演は，オーガナイザーの一人である

急遽見学会を企画し，X 線回折装置・核磁気共鳴装置

芳坂貴弘教授（北陸先端大）から「非天然アミノ酸の（NMR）・質量分析装置・スーパーコンピュータを見導入によるタンパク質の二重蛍光標識と FRET 解析」

学していただきました．

と題してなされました．まず，4 塩基コドンを用いる

2 日目の午後は，さらなる議論を行う場としてインことで非天然の蛍光標識アミノ酸を部位特異的に導入

フォーマル・ミーティングを開催しました．このミーできることが示されました．さらに，開始 tRNA に別

ティングでは，猿渡茂准教授（北里大），鎌形清人助教の蛍光標識アミノ酸を結合させて N 末端に導入するこ（東北大），渕上壮太郎助教（横浜市大）より話題の提とで，タンパク質を二重に蛍光標識することができ，供がなされ，それぞれについて議論するとともに，タ

蛍光共鳴エネルギー移動（FRET）による解析でタンパ

ンパク質の機能はどのように理解できるか，そのため

ク質の立体構造変化を観測できることがカルモジュリにはどのような情報が必要か，そして，どのような研ンを例として報告されました．蛍光標識アミノ酸以外

究をデザインすればよいか，など実験と理論の垣根をにも，翻訳後修飾されたアミノ酸やポリエチレングリ

越えた忌憚ない意見のやり取りが行われました．

コール化されたアミノ酸など様々な非天然アミノ酸が以上のように，本シンポジウムでは，講演者の方々導入可能であることが次々と紹介され，本手法の汎用に様々な解析手法をご紹介いただき，タンパク質の機性・拡張性に圧倒されました．アンバー終止コドンも能を理解するために利用可能な方法の多様性，個々の利用できることから，複数の場所に異なる非天然アミ

特徴など貴重な情報を発信できたとともに，それぞれノ酸を導入でき，その可能性は無限大です．実際にどの間の連携の可能性などを考える機会を提供することのようなアミノ酸をどのような位置に挿入するかは実ができたと思います．今後，解析手法がさらに洗練化

験家の腕の見せ所であり，今後，どんな実験がデザイされると同時に，それらを総合的に用いてタンパク質

ンされ，新しい知見が得られるのか楽しみです．

の機能を解き明かす研究が発展していけば，オーガナ

最後の講演は，小井川浩之研究員（東北大）によるイザー冥利に尽きます．また，このような会を定期的「マイクロ秒分解一分子蛍光検出による蛋白質構造に開催し，常に最新の動向を把握できることが望まし

変化の追跡」についてでした．芳坂教授の手法で作成いと考えています．どのような場になるかわかりませ

された蛍光標識タンパク質を用いて，その構造変化をんが，今後もなんらかの形で続けていければと考えて一分子レベルで直接観察するという意欲的な内容でしいます．その際には，皆さんにも是非ご参加・ご協力

た．今までの一分子観測は時間分解能が悪く，タンパ

いただければ幸いです．

ク質の構造が時々刻々と変化していく様を捉えること最後になりましたが，旅費の一部をサポートしてくができないのが大きな不満点でしたが，計測手法や実ださいました本新学術領域研究に御礼を申し上げます．

験装置，試料調整などに様々な工夫を施すことで，数十マイクロ秒という高い時間分解能が実現されていました．これにより，タンパク質が立体構造変化する様
子が実時間で捉えられることが期待されますが，具体例として挙げられたシトクロム c とマルトース結合タ
ンパク質のいずれにおいても，残念ながら期待通りの観測結果が得られたとは言い難いようでした．しかし，マイクロ秒程度の時間分解能はタンパク質の構造変化過程を捉えるのに十分な時間分解能ですので，適切なターゲットと実験をデザインすることで，期待通りの（もしかしたら期待を裏切るような）タンパク質特有の動きが近いうちに観察されることでしょう．

インフォーマル・ミーティングの会場風景

8

「揺らぎと生体機能」ニュースレター
No. 362５ November, 2011
A03 班会議報告
8 松本陽子公募班員(崇城大生命)

松本陽子（崇城大学応用生命科学・A03 公募研究代表者）「ハイブリッドリポソームによるアポトーシス誘導」
9 岡田誠治公募班員(熊本大医)

A03 班会議が 2011 年 11 月 3～4 日、滋賀県近江八幡「細胞膜の揺らぎと HIV 感染」

市の休暇村近江八幡において開催された。本会議には10 林重彦公募班員(京都大理)

A03 班の班長の上岡龍一先生、計画研究代表者の平田「タンパク質機能における pKa 制御の分子機構」

文男先生および桑島邦博先生はじめ 17 名の公募研究11 廣田俊公募班員(奈良先端大物質創成)代表者のうち 12 名、さらに班友１名、研究グループの「シトクロム c の多量体形成とポリマー化」

教員や博士研究員 9 名、合わせて 25 名が参加した。

12 桑島邦博計画班員(岡崎統合)「αラクトアルブミンの N 末端異変体の構造揺らぎと安土にほど近い近江八幡は、大河ドラマ「江」縁りの地。近江商人の古い町並みが八幡堀とともに保存さ安定性」

れ、日本の遊歩百選にも選ばれている。会場の休暇村

13 元島史尋公募班員(京都産大総合生命)

近江八幡では、眼前に広がる雄大な琵琶湖を朝な夕な「シャペロニン援助フォールディングにおけるタンパ

満喫しながらの会議であった。

ク質の揺らぎ制御の解析」
14 出羽毅久公募班員(名古屋工大)

班長の上岡先生の挨拶で会議は幕を開け、揺らぎが生み出す機能に関しての研究に主眼を置いた A03 班の「生体機能解明のプラットフォームとしての脂質二分研究内容の概要および本学術領域研究内で進行中の子膜」

A03 班の研究者との共同研究について述べられた。以15 相沢智康公募班員(北大先端生命)

下、発表順に発表者およびタイトルを記す。

「タンデムリピートを持つ新規天然変性 DNA 結合ド
メインの揺らぎと分子認識機構」

1 平田文男計画班員(分子研)16 大橋祐美子公募班員(理研脳)「3 次元 RISM 理論に基づくドラッグデザインへ向「酵母プリオン Sup35 のアミロイド構造を決定する揺けた解析手法の開発と応用」

らぎ」

2 濱田大三公募班員 (神戸大医)
A03 班会議では、タンパク、脂質膜、遺伝子の構造「免疫グロブリン軽鎖キメラ体のアミロイド形成能とフォールディング」と機能についての最新の研究成果が発表され、熱い討

3 松下琢班友(崇城大生命)論が続いた。2 日目午前に班員の全発表が終了し、午「テロメア DNA 四重らせん構造の揺らぎと機能に後の自由討議をはさんで、夕食後、若手発表・討論会

関する分子科学的研究」の時間が設けられた。以下の発表が行われ、活発な討

4 野口博司公募班員(東大物性研)議で夜遅くまで盛会であった。

「粗視化分子模型による脂質膜のシミュレーショ
ン」

若手発表・討論会

5 中野実公募班員(京都大薬)

1 古水雄志(上岡グループ)「中性子散乱法を用いた脂質膜対称性の解消に関わ「膜の揺らぎを標的とするハイブリッドリポソームのる脂質 – タンパク質相互作用の解明」

がん抑制機構」

6 上岡龍一 A03 班班長(崇城大生命)

2 丸山豊(平田グループ)「Hybrid Liposomes を用いる難治性疾患治療」「シニョリンの熱変性ダイナミクス:MD-3DRISM に

7 鈴木元公募班員(名古屋大医)

よる解析」「Hybrid Liposomes は一部 CerS6 を介して ceramide

3 中村敬(桑島グループ)に代謝され作用する」「抗腫瘍活性を持つ蛋白質複合体の構造と物性」

9

「揺らぎと生体機能」ニュースレター
No. 362５ November, 2011
最後になりましたが、今回の A03 班会議をお世話いただいた平田文男先生と研究室の皆様に感謝申し上げます。

A03 班会議集合写真 (2011 年 11 月 3～4 日)

10

「揺らぎと生体機能」ニュースレター
No. 3625 November, 2011
加藤グループの山本さよこさんが ISNMR 2011 にて若手ポスター賞を受賞
加藤晃一（自然科学研究機構・A01 計画研究代表者）
平成 23 年 11 月 15 日（火）から 18 日（金）まで、
横浜大さん橋ホールにて、日本核磁気共鳴学会による
The International Symposium on Nuclear Magnetic
Resonance 2011 (ISNMR 2011) が開催されました。
本シンポジウムは第 50 回記念 NMR 討論会も兼ねており、国内外より第一線で活躍される多くの著名な先生の素晴らしい講演を拝聴することができました。また、多くの若手研究者による先端的な研究発表も印象的であり、活発な議論が飛び交うシンポジウムでありました。
我々の研究室からも数名が本シンポジウムに参加し研究発表を行いました。分子科学研究所特別共同利用
研究員（名古屋市立大学大学院薬学研究科 2 年生）の山本さよこさんは若手ポスター賞 (Young Scientists
PosterAwards)に 応 募 し 、 ”Application ofparamagnetic NMR to analyses of conformations
and dynamics of oligosaccharide”という演題で英語と日本語（各 1 時間）ポスター発表を行いました。山
本さんのポスター発表は審査員の方々から非常に高い評価を頂き、多くの応募者の中から本賞受賞者に選ばれました。
本研究では、常磁性 NMR を応用した糖鎖の新規立
体構造解析法の開発を試みています。常磁性ランタニ
ドプローブを糖鎖へ導入することにより、糖鎖に由来する NMR 信号の擬コンタクトシフトを観測することに成功しました。そして、この NMR で得られた結果と分子動力学計算を用いた統合的な解析を行うことにより、糖鎖の動的な立体構造を明らかにすることが可能となりました。今後、生体内において重要な機能を担っている様々な糖鎖の立体構造とその揺らぎの研究懇親会にて英語でスピーチする山本さん

への応用が期待されます。

11

「揺らぎと生体機能」ニュースレター
No. 3625 November, 2011
片岡グループの上久保裕生博士、芝るみ博士が The 17th International Biophysics
Congress において最優秀ポスター賞を受賞
片岡幹雄（奈良先端大物質創成・A02 計画研究代表者）ていることを明らかにしました。これらの結果は、蛋白質内部の微小空間で生じるプロトン移動反応と高次構造転移を関連づける上で重要な知見となり得ます。

片岡グループ（Ａ02 班計画研究）の上久保裕生准教

芝 博 士 は 、 ”Refinement of function element of

授及び芝るみ博士（博士研究員）の 2 名が、10 月 30

dihydrofolate reductase by the systematic alanine

日から 11 月 4 日まで、北京で開かれていた The 17th

insertion “の演題で発表しました。ジヒドロ葉酸還元

International Biophysics Congress において、最優秀酵素に対し、網羅的アラニン挿入変異を行い、各変異

ポスター賞を受賞しました。International Biophysics

体を精製した後、構造と酵素活性を測定することによCongress は 、 International Union of Pure andり、構造形成と酵素活性発現のために必須な一次構造

Applied Biophysics (IUPAB)が主催する国際会議で、上の領域を明らかにしたものです。配列をアラニン挿

生物物理学の中では最も重要な国際会議に位置付けら入で分断することにより、構造形成能を失う領域、酵れており、3 年に 1 度開催されています。会議には、3素活性を失う領域が明確に決定できます。機能発現に名のノーベル賞受賞者ほか、世界中の第一線の生物物

必須な領域は、さらに補酵素(NADPH)結合に関与する理学研究者が参加しました。

領域、基質(ジヒドロ葉酸)の結合に関与する領域およ

上 久 保 博 士 は ” The roles of the low barrier

び触媒活性に関与する領域に分類することができましhydrogen bond involved in Photoactive Yellow

た。触媒活性に関与する領域には、活性部位を含んでProtein”の演題で発表しました。 当グループでは、光いない領域もあり、揺らぎとの関係が注目されます。

合成細菌中に存在する光センサー蛋白質（Photoactive

A02 班公募研究代表者の新井宗仁さんが、円順列変換

Yellow Protein）の反応中心近傍に、低障壁水素結合

により DHFR の folding element を同定していますが、が存在することをすでに明らかにしてきました。本発

今回の結果は、この結果を支持するとともに、folding

表では、低障壁水素結合を失活させた変異体に対し、

element のうちのいくつかは、機能発現に必須で必ず

中性子・X 線併用結晶構造解析を適応し、蛋白質中にしも構造形成に必須な領域ではないことも示されまし

形成された低障壁水素結合が通常の水素結合の約 2 倍た。

程度の結合エネルギーを有すること、また、近傍アミ会議の閉会式において、各セッションからポスターノ酸のプロトン化状態の直接観測によって、低障壁水賞受賞者が発表され、賞状等が授与されました。

素結合によって蛋白質内部電荷の非局在化が実現され帰国後、受賞ポスターの前で記念撮影。

12

「揺らぎと生体機能」ニュースレター
No. 3625 November, 2011
報道：領域の研究活動が Science に紹介される
片岡幹雄（奈良先端大物質創成・A02 研究計画代表者、領域事務担当）
我々の新学術領域研究（領域提案型）“揺らぎが機能をと Science の取材に応じたものです。この記事を読ん決める生命分子の科学”の研究内容が、Science 9 月 2だと思われる方から、来年 1 月の公開シンポジウムへ

日号（Science 333, 1329 (2011)）に紹介されました。

の参加、ポスター発表の申し込みがありました。

Focus on Japan という特集の一部で、寺嶋領域代表ら

13