「揺らぎと生体機能」ニュースレター
No. 427 March, 2009
業績紹介：13C 検出ＮＭＲ法の高分子量糖タンパク質の構造解析への応用
加藤晃一（自然科学研究機構・A01 計画研究代表者）

った結果、13C 間に観測される核オーバーハウザー効果を利用することにより、高分子量糖タンパク質の糖鎖由来の信号を効率的に帰属することが可能であるこ論 文 題 目 ： "A13とが判明した。特に、13C-13C NOESY スペクトル（図C-detection NMR approach for largeglycoproteins"

Ａ）を計測することによって得られる化学シフト相関

著 者 ： Yoshiki Yamaguchi, Markus Wälchli, Mayumi

は糖残基の種類ごとに特徴的なパターンを示すことかNagano, Koichi Kato

ら、糖鎖ピークを残基タイプ別に分類するのに有効で雑誌巻号：Carbohyd. Res. 344, 535-538 (2009)あることが示された。
一方、13C 間のスカラー結合に基づく磁化移動を利

生体を構成しているタンパク質の多くは糖鎖による用した 13C-13C TOCSY スペクトル（図Ｂ）においては、修飾をうけた糖タンパク質として機能している。糖鎖糖鎖の中で運動性の高い部位に由来する信号のみが選は、タンパク質の溶解性や安定性を規定するばかりで択的に観測された。したがって、２種類のスペクトルなく、タンパク質の機能部位の高次構造の構築に寄与から得られる情報を組み合わせることにより、糖鎖のしており、ウィルス感染や細胞間コミュニケーション揺らぎに関する有用な情報を得ることが可能である。

を媒介する分子認識現象にも関与している。最近では、

このように、安定同位体標識を施した試料に 13C 検

タンパク質のフォールディング・輸送・分解といった出ＮＭＲ法を適用することにより、高分子量糖タンパ細胞内運命の決定にも糖鎖が深くかかわっていること

ク質の動的構造研究に新たな可能性が切り拓かれた。

が明らかとされつつある。
参考文献

このように糖鎖の生物学的重要性は広く認識されているが、その機能発現メカニズムを立体構造解析を通[1] Y. Yamaguchi and K. Kato, In: Modern Magnetic

じて解明しようというアプローチはこれまで困難を伴Resonance, Springer, vol.1, pp.219-225 (2006)

った。糖鎖の構造はゲノムに直接コードされておらず、[2] K. Kato and Y. Yamaguchi, In: Experimental

微視的不均一性を示す。また、糖鎖は一般に、ポリペ

Glycoscience: Glycochemistry, Springer, pp.45-50 (2008)

プチド鎖に比べて内部運動の自由度に富んでいるため、水溶液中では立体構造が揺らいでいる。そのため、糖タンパク質の結晶化は困難であり、構造生物学的研究が立ち遅れてきた。こうした状況に鑑みて、筆者らはこれまでＮＭＲを利用した糖タンパク質の構造解析を体系的に行なうための研究戦略を開拓してきた[1, 2]。本論文は、筆者らがこれまで開発してきた安定同位体標識技術を利用して糖タンパク質の糖鎖に 13C 標識を施し、13C 検出ＮＭＲ法による高分子量糖タンパク質の構造解析の可能性を検討したもので

図：免疫グロブリン G の Fc フラグメントの(A) 13C-13C NOESY スペある。

クトルと(B) 13C-13C TOCSY スペクトル

動物細胞培養系を利用して代謝的に13C 標識を施した免疫グロブリン G（IgG）の Fc フラグメント（分子質量 56kDa）を調製して 13C 検出ＮＭＲ計測を行な1

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No. 427 March, 2009
業績紹介：ミオグロビンからの CO 解離過程と熱力学に関する統計力学的研究
平田文男（分子科学研究所・A03 計画研究代表者）
論文題目："Theoretical Study of CO escaping pathway in
Myoglobin with the 3D-RISM Theory"
著者：Yasuomi Kiyota, Ryusuke Hiraoka, Norio Yoshida,
Yutaka Maruyama, Takashi Imai, and Fumio Hirata
雑 誌 巻 号 ： J. Am. Chem. Soc., 2009, 131 (11), pp3852–3853.
ミオグロビンは多くの生体において酸素の貯蔵に

図：ミオグロビン内部における一酸化炭素分子の３次深く関わる球状タンパク質である。ミオグロビン内に元分布. 空孔は X 線構造解析において Xe 分子がトラおける分子の吸脱着過程は、酸素供給系の複雑な生理ップされていたため Xe サイトと呼ばれている。

作用を解明する上で重要であり、一酸化炭素やキセノン等、多くのリガンド分子を用いて研究されてきた。
分光学的実験により、リガンド分子はタンパク質内のCO が経由すると予測された[2]。そこで、脱離する CO空孔を経由し、溶媒からタンパク質内部の色素ヘムにを溶質としてあらわに扱い、色素ヘムの結合サイト吸脱着を行うことが予測されている[1,2]。しかしなが(MbCO)、Xe1、Xe4 のそれぞれに CO が存在する場合

ら、どのような経路で吸脱着が行われるか等に関する(Mb:CO)のモデルを構築した。各モデルでの部分モル統一的な見解は未だ存在していない。

体積を計算し、その変化を算出したところ、Xe4 サイ

本研究では、3D-RISM 理論[3]を用いてリガンド分子トを中間体とする経路が実験において測定された体積(キセノン(Xe)、一酸化炭素(CO))の分布を分布関数と変化の傾向を良く再現することが分かった（下表）。実して直接求めることで、ミオグロビンの分子吸脱着過験における予測を理論により分子論的に立証した。

程の再現、予測を行うことを目的とした。まず Xe 溶
表：各モデルにおける部分モル容積とその変化. (ΔV1 =(Mb:CO) – (MbCO), ΔV2 = (Mb+CO) – (Mb:CO), andΔVtotal = (Mb+CO) – (MbCO)).
modelsPMV[cm3/mol]
MbCO
9029.0
Mb:CO(Xe1)9030.4
Mb:CO(Xe4)9032.8MB+CO
9019.6Xe1
Xe4(exptl. [1, 2])
ΔV1=1.43.8(3±1)ΔV2=-10.8-13.2(-12.6±1.0)-9.4-9.4(-10.7±0.5)
ΔVtotal=

液中で構造最適化を行い、得られた 3 次元分布関数より配位数を計算することで、各 Xe サイトにおけるリガンド分子の分布の相違を検証した。次に CO 脱離過程を解析するため、中間体と考えられる構造を用意し、部分モル容積の変化を検証した。
まず、3D-RISM/ KH 方程式により得られた一酸化炭素の３次元分布関数を右図に示す。Xe についても同様に分布関数を求め、そこから配位数を計算した。各サイトにおけるリガンド分子の配位数の比較により、Xe1 サイトでは Xe 分子の親和性が高く、他のサイト

参考文献

では CO 分子の親和性が高いことが示された。

[1] Y. Nishihara, M. Sakakura, Y. Kimura, and M. Terazima,
J. Am. Chem. Soc. 126, 11877-11888 (2004)

次に、一酸化炭素の吸脱着過程の検証を行った。２
つの Xe サイト、Xe1 および Xe4 は、吸脱着過程にお[2] M. Sakakura, S. Yamaguchi, N. Hirota, and M.

ける経路であるという分光学的実験結果が寺嶋らによTerazima, J. Am. Chem. Soc. 123, 4286-4294 (2001).

り報告されている[1]。さらに、脱着過程における体積[3] Hirata, F. Molecular Theory of Solvation; Kluwer:

変化が測定されており、Xe 存在下では Xe4 サイトをDordrecht, Holland, 2003.

2

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No. 427 March, 2009
シンポジウム報告 新学術領域“揺らぎと機能”及び特定領域研究“水と生体分子”
合同公開ワークショップ
片岡幹雄（領域事務担当）

liquids
桜井実（東工大）：Physical study on the mechanism ofanhydrobiosis in the sleeping chironomid, Polypedilum

本領域の第 2 回公開ワークショップが平成 19 年度

vanderplankiに終了した特定領域研究“水と生体分子の織り成す生後藤祐児（阪大・蛋白研）：Amyloid fibril growth

命現象の化学”（領域代表：桑島邦博）の第 6 回公開

visualized by thioflavin T fluorescence and probed

ワークショップと合同で、3 月 16，17 日の 2 日間、by H/D exchange

岡崎コンファレンスセンターで開催された。15 件の招吉川研一（京大・院理）：Transition of the higher order

待講演のほか、89 件のポスター発表がなされた。参加

structure of DNA in Aqueous solution

者は 146 名（うち外国人 7 名、学生 33 名）を数えた。
招待講演者のうち、Martina Havenith 教授は、急第 2 回“揺らぎと機能”公開ワークショップ用で来日ができなくなり、講演が中止された。また、

R. J. Dwayne Miller（トロント大）：Making the molecular

Sonia Longhi 教授は、来日後にウィルス感染症を発症

movie: Quest for the structure-function correlation of

し、招待されていた夫君の Frédéric Carrière 教授がbiology

Longhi 教授の講演を代読した。前代未聞のハプニング

寺嶋正秀（京大・院理）：Time-resolved detections ofにもかかわらず、質の高い招待講演と興味深いポスタ

conformation changes, intermolecular interactions, andー発表により、シンポジウムを成功裏に終えることがfluctuations of short-lived intermediate species duringできた。お世話をいただいた桑島邦博、加藤晃一両教

biological reactions

授および両研究室の皆様に感謝したい。加藤教授には、Longhi 教授の病院のお世話に走り回ってもいただい

3 月 17 日（火）た。Longhi 教授夫妻は無事帰国したことをお伝えして

芳坂貴弘（北陸先端）：Site-specific fluorescence labeling

おきたい。

of proteins through extension of the genetic code and its

また、16 日の夜には懇親会が開催された。国際アド

application to FRET analysis of proteins

バイザーの Miller 教授から本領域に対する期待が語松本陽子（崇城大）：Nanotherapy with hybrid liposomes

られた後、廣田京大名誉教授の発声により“水と生体for tumors in relation to fluctuation of membranes

分子”の成功を祝福し、“揺らぎと機能”の進展を祈念

Frédéric Carrière（CNRS）：How interfacial enzymes

して乾杯した。本シンポジウムの参加者による報告やadapt

印象は、次号のニュースレターに掲載する予定である。

conformation: Opening the lipase lidtoanewenvironment

bychangingtheir

加藤晃一（岡崎統合バイオ）：Ultra-high field NMRプログラム

approaches to dynamical structures of proteins hard to deal

3 月 16 日（月）with

第 6 回“水と生体分子”公開ワークショップ

片岡幹雄（奈良先端）：Effect of hydration on protein

桑島邦博（岡崎統合バイオ）：Folding mechanism ofdynamics studied by neutron scattering

homologous proteins: A comparative study between

Sonia Longhi（CNRS）(by F. Carrière)：Structural disorider

-lactalbumin and lysozyme

and induced folding within the replicative complex of

岡本祐幸（名大・院理）：Generalized-ensemble simulations

measles virus: experimental assessment and functional roleof water and biomolecules

Susan Marqusee（カリフォルニア大バークレー）：平田文男（分子研）：Molecular recognition, fluctuation,

Experimental studies to manipulate the energy landscape ofand function of protein studied by a statistical mechanics ofproteins3

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No. 4
27 March, 2009

シンポジウムの参加者による集合写真

Carrière 教授と寺嶋教授懇親会で挨拶する Miller 教授

Marqusee 教授と岡本教授

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No. 4
27 March, 2009
領域代表 寺嶋正秀氏が井上学術賞を受賞
片岡幹雄（領域事務担当）

反応ダイナミクス分野を組み合わせた新学問領域を創成した。また、分子に光で注入したエネルギーが熱に変換される過程を、自作の「温度レンズ」や「分子温領域代表の寺嶋正秀氏が、平成 20 年度の井上学術

度計−分子ヒーター統合システム」等の新温度検出法賞を受賞されました。本領域の発足に際し、大変幸先で、１ピコ（１兆分の１）秒刻みで追跡する事に成功のよい喜ばしいニュースです。本領域関係者の皆様とし、光エネルギー注入後の温度を 0.001 度の精度、ナともに心からお祝いしたいと思います。

ノメートルの空間分解能で検出する新手法を編み出し

井上学術賞は井上学術振興財団から授与される賞でた。これらの研究は非常に独創的であり、世界的にもあり、関係 28 学会及び財団の役員・評議員等から推類似の研究は存在しない。数多くの国際学会招待講演薦を受けて、選考を行い授与を行っています。基礎科を行い、ゴードン会議チェアーや日米先端科学会議運学領域での研究者を表彰するために設立された財団か営委員長等を歴任し、世界をリードしている。

ら贈呈される賞であり、50 歳未満の基礎科学領域で顕著な業績を上げた研究者に贈呈されます。毎年ほぼ各分野一人以下の受賞者数であります。ちなみに、井上学術振興財団は、井上節子氏の遺贈された浄財を基本財産にして各賞を設立し、基礎科学分野の研究者への支援及び助成を行っている団体です。若手への井上研究奨励賞も出しております。寺嶋正秀氏の受賞理由は以下の通りです。
受賞課題： 非平衡系時間分解熱力学分光法の創始とタンパク質反応ダイナミクスへの展開
Title:Developmentsoftime-resolved

thermodynamics and transport properties andapplications to biological protein reactions

授賞式での寺嶋教授

授賞理由：
これまで熱力学は、科学の根幹として物質の理解に大きな役割を果たしてきたが、常に定常状態に対して適用されており、熱力学量を指標にダイナミクスが論じられた事はなかった。寺嶋正秀博士は、化学反応で刻々と不可逆的に変わる系に対して、一定温度・一定圧力下での反応熱力学量変化を観測する事に世界で初めて成功した。これは２００年に渡る科学史の中でのブレークスルーである。本手法を、まず基本的な溶液系で確認し、ついで多くの蛋白質での反応を記述する事に成功した。例えば、発色団の光化学変化が蛋白部分に伝わり、エネルギーや周りの水を含めた分子体積変化を生む過程を時間分割で観測することに成功している。
これにより、定常状態の熱力学・分子拡散分野と化学5