ＪＳＴと理化学研究所など、タンパク質「アクチンフィラメント」端での伸縮制御メカニズムを解明
細胞が形状を変えながら移動する謎の一端を解明
－ アクチンフィラメント端での伸縮制御メカニズムが明らかに －
ＪＳＴ（理事長 沖村憲樹）、独立行政法人理化学研究所（理事長 野依良治）、国立大学法人名古屋大学（学長 平野眞一）は、細胞に最も多く含まれるタンパク質”アクチンフィラメント”の端（注１）の立体的な構造を決定する新たな手法を開発し、それを用いてアクチンフィラメントとＣａｐｐｉｎｇ Ｐｒｏｔｅｉｎ（キャッピング プロテイン）（注２）の複合体の三次元構造を決定しました。アクチンフィラメント端でのタンパク質の形を見たのは本研究が世界で初めてです。
アクチンは細胞に最も多量に含まれるタンパク質であり、細胞生存の根幹に関わる重要な役割を担います。アクチンフィラメントはアクチン分子の重合・脱重合によって伸長や短縮することで長さを変え、移動することで、生体の生存に関わる機能を果たします。細胞の中ではアクチンフィラメントの伸長や短縮は制御されていますが、その制御は、アクチンフィラメントの端の部分に結合するタンパク質によって引き起こされます。Ｃａｐｐｉｎｇ Ｐｒｏｔｅｉｎはそのようなアクチンフィラメントの伸長や短縮を制御するタンパク質の一つです。アクチンフィラメントの伸長や短縮の制御メカニズムを理解するため、アクチンフィラメントの端とＣａｐｐｉｎｇ Ｐｒｏｔｅｉｎの結合様式の解明が期待されていました。
今回、研究チームは、Ｃａｐｐｉｎｇ Ｐｒｏｔｅｉｎがアクチンフィラメント末端のアクチン分子と結合した複合体の構造の解明に成功しました。これによりアクチンフィラメントの伸長と短縮の制御メカニズムが明らかになりました。
アクチンフィラメント端への結合タンパク質の調節機能は、生命現象の極めて基本的な営みであり、本成果によって、筋収縮、細胞骨格、細胞内シグナル伝達、細胞質分裂などの様々な生命現象やガン細胞の転移現象の理解が大きく進展することが期待されます。また、今回解明した制御メカニズムの応用により、全く新しい原理で駆動するナノモーターの開発が期待されます。
この研究成果は、戦略的創造研究推進事業 ＥＲＡＴＯ型研究「前田アクチンフィラメント動態プロジェクト」（研究総括：前田雄一郎）の前田雄一郎研究総括（名古屋大学大学院理学研究科教授、理化学研究所播磨研究所客員主管研究員）と成田哲博研究員らが中心となって、理研播磨研究所放射光科学総合研究センターおよび名古屋大学との共同研究によって得たもので、決定されたアクチンフィラメント－Ｃａｐｐｉｎｇ Ｐｒｏｔｅｉｎ複合体の構造は欧州科学誌「ＥＭＢＯ Ｊｏｕｒｎａｌ」オンライン版に２００６年１１月１６日（英国時間）に公開され、誌面では２００６年１１月２９日（英国時間）に掲載される予定です。
１．本研究の背景
アクチンは、真核細胞の中に最も多く含まれるタンパク質の一つです。アクチンは細胞内でモノマー（単量体）と、モノマーが連なったフィラメント（重合体）の２つの状態で存在し、その２つの状態間を行き来します。特に、フィラメントの一端（Ｂ端）へのモノマーの追加（重合）による伸長と、他端（Ｐ端）からのモノマーの脱落（脱重合）による短縮が、ほぼ同一の速度で進行すると、フィラメントが全体として一方向に移動します。このようなアクチンの重合と脱重合によって駆動されるアクチンフィラメントの運動のことを「アクチン・ダイナミックス」と言います（図１）。
細胞内ではアクチン・ダイナミックスの速度、方向、時期、細胞内の位置は厳密に調節されており、それによってはじめて細胞内の輸送も細胞の運動も秩序だったものとなります。細胞内でのアクチン・ダイナミックスの調節は、各々それに特化した多くのアクチン結合タンパク質によって担われています。そのなかでもアクチンフィラメント端に結合するタンパク質は重要な調節作用を担います。タンパク質Ｃａｐｐｉｎｇ Ｐｒｏｔｅｉｎはアクチンフィラメント端結合タンパク質のひとつで、アクチンフィラメントのＢ端を塞ぎアクチンのＢ端における重合や脱重合による伸長や短縮を止めます。
アクチンフィラメントの伸長や短縮はアクチンがアクチンとして機能する上で、非常に重要な役割を担っており、例えば伸縮が損なわれると細胞の形を保てなくなる、細胞の移動能力がなくなる、細胞が分裂できないなど現象が起こるために、生物は生存することはできません。そのため、伸長や短縮の制御メカニズムの解明が期待されていました。
２．本研究の成果
クライオ電子顕微鏡写真（注３）からアクチンフィラメントの端の形を決定するために本研究グループが２００６年７月にＪｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｉｏｌｏｇｙ誌において発表した新しい画像処理アルゴリズムを使って、Ｂ端―Ｃａｐｐｉｎｇ Ｐｒｏｔｅｉｎ複合体のクライオ電子顕微鏡写真（図２）を解析し、その三次元構造を得ました（図３ Ａ，Ｄ）。こうして得られた構造を既知のＣａｐｐｉｎｇ Ｐｒｏｔｅｉｎの原子構造（図４）およびアクチン分子の原子構造を当てはめることによって（図３ Ｂ，Ｅ）、電子顕微鏡写真からアクチンフィラメント端にＣａｐｐｉｎｇ Ｐｒｏｔｅｉｎが結合した複合体（Ｂ端―Ｃａｐｐｉｎｇ Ｐｒｏｔｅｉｎ複合体）の構造を解明しました（図３ Ｇ）。これにより、Ｃａｐｐｉｎｇ Ｐｒｏｔｅｉｎによるアクチンフィラメントの伸長短縮の制御メカニズムをシンプルに説明できるようになりました。アクチンフィラメント端の構造を決定したのはこれが世界で初めてのことです。アクチンフィラメントの伸長、短縮の制御メカニズムを構造から明らかにしたのもまた、初めてのことです。
本研究で得られた結果を以下に示します。
（１）研究グループは２００３年４月に解明したＣａｐｐｉｎｇ Ｐｒｏｔｅｉｎの結晶構造から、このタンパク質には２つのアクチン結合領域を持つとの考えを提案していました（図４）。今回の結果から、この提案どおりＣａｐｐｉｎｇ Ｐｒｏｔｅｉｎ分子上のアクチン結合領域が確認されました。
（２）さらに、アクチン分子上のＣａｐｐｉｎｇ Ｐｒｏｔｅｉｎ結合部位を知ることができ、結合に関与するアミノ酸残基をほぼ特定することができました。例えば、Ｃａｐｐｉｎｇ Ｐｒｏｔｅｉｎ上の結合領域１（図３）ではＣａｐｐｉｎｇ Ｐｒｏｔｅｉｎ表面の複数の塩基性アミノ酸残基が、また２つのアクチン分子のそれぞれの表面上では複数の酸性アミノ酸残基が結合に関与し、それらの間で静電気的な相互作用をすることが推測されました。
（３）実際、Ｃａｐｐｉｎｇ Ｐｒｏｔｅｉｎ側の塩基性アミノ酸を（ＤＮＡ組換え操作によって）酸性アミノ酸に換えた変異Ｃａｐｐｉｎｇ Ｐｒｏｔｅｉｎを調製したところ、Ｂ端とＣａｐｐｉｎｇ Ｐｒｏｔｅｉｎの結合は弱くなりました。
３．今後の展開
今後Ｃａｐｐｉｎｇ Ｐｒｏｔｅｉｎだけでなく、その他知られている伸長や短縮に関与するフィラメント端結合タンパク質の結合状態を明らかにし、また、アクチンフィラメントのみの端の構造を明らかにする事によって、アクチン・ダイナミックス全体の分子構造レベルでの解明を目指します。
アクチン・ダイナミックスは生命現象の極めて基本的な営みです。そしてアクチン・ダイナミックスは多数のタンパク質が関与する一連のメカニズムから成り立っています。この全体を分子レベルで明らかにすることができれば、様々な生命現象（筋肉の収縮、細胞の運動、細胞の形状の調節、細胞内シグナル伝達、細胞質分裂など）の理解を大きく進展させることが期待されます。また、生体内にはアクチンフィラメント上を走るモーターなどが見つかっていますが、アクチンフィラメント自体も、分子の重合や脱重合によって駆動する１種の分子モーターと見なすことができます。今までのようなレール上を動くモーターとは大きく異なり、レール自身が動く全く新しい原理で駆動するナノ分子モーターとして医学や工学分野で応用されることが期待されます。アクチン・ダイナミックスの分子レベルでの理解は、そのようなモーターの駆動メカニズム及びブレーキやアクセルに相当する制御メカニズムを構築する上で、重要な役割を果たすと期待されます。
＜ 補足説明 ＞
注１ ”アクチンフィラメント”の端：
アクチンフィラメントとは細胞内骨格の一種で、細胞の形状と強度を保ちます。しかしアクチンフィラメントは静止した構造体ではなく、自身が活発に移動します。移動することによって細胞の形状変化や移動、細胞内での物質輸送など広範な細胞活動を担います。たとえば、アクチンフィラメントの移動が起きないと、細胞が移動できず、その結果多細胞生物の体ができません。すべての細胞はある時期に移動して互いの位置関係を調整することで体を作るからです。またガン細胞は異常に移動することによって転移します。
アクチンフィラメントはアクチンというタンパク質が数珠状に連なってできたフィラメントです。アクチンフィラメント内ではすべてのアクチン分子の方向は揃っているため、アクチンフィラメントには極性（方向性）があり、一端をＢ端（プラス端）、他端をＰ端（マイナス端）と呼びます。細胞内では、Ｂ端はほとんどいつも伸長し、Ｐ端はほとんどいつも短縮しています。
注２ Ｃａｐｐｉｎｇ Ｐｒｏｔｅｉｎ（キャッピング プロテイン）：
Ｃａｐｐｉｎｇ Ｐｒｏｔｅｉｎは当初骨格筋組織で、アクチンフィラメントのＢ端に結合するタンパク質として発見されました。その後、一般の細胞に広く分布しアクチンフィラメントのＢ端における伸長を調節するタンパク質であることが明らかとなりました。
注３ クライオ電子顕微鏡：
タンパク質複合体を観察するために開発された電子顕微鏡。タンパク質複合体（試料）を含んだ溶液を薄く展開し液体エタン中で急速凍結することによって試料をごく薄い氷の層に閉じこめたうえ、さらに冷却して液体ヘリウム温度におき電子顕微鏡で観察します。試料を染色固定する方法に比して、この方法には２つの利点があります。第一に、低温で電子線を照射するためタンパク質試料の電子線による損傷が軽減されます。第二に、タンパク質試料を生理的（自然な）な溶液条件で観察することができます。
＜ 論文タイトル ＞
"Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｂａｓｉｓ ｏｆ ａｃｔｉｎ－ｆｉｌａｍｅｎｔ ｃａｐｐｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｂａｒｂｅｄ－ｅｎｄ： ａ ｃｒｙｏ－ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｓｔｕｄｙ．"
（アクチンフィラメントＢ末端でのアクチン重合阻害メカニズムの構造学的研究：クライオ電子顕微法による研究）
＜ 研究領域等 ＞
この研究テーマが含まれる研究領域、研究期間は以下のとおりです。
戦略的創造研究推進事業 ＥＲＡＴＯ型研究「前田アクチンフィラメント動態プロジェクト」
研究総括 ： 前田 雄一郎 名古屋大学大学院理学研究科教授、理化学研究所播磨研究所客員主管研究員）
研究期間 ： 平成１５年度～平成２０年度
※ 図１～４は関連資料を参照してください。