今日の話題 無脊椎動物由来溶血性レクチンの細胞膜孔形成機構 CEL-Ⅲによる膜孔形成メカニズム 地球上において生物はその生存のために常に周囲の生 合体結晶構造解析の報告例は 2 つのタイプの PFT の報 物との戦いを強いられており，それは微生物などの侵入 告があるのみ (5, 6) であり，メカニズムに関する知見は限 生物とそれに対する動物の免疫系との戦いや捕食者と被 定的なものであった．一方，CEL-Ⅲはほかのどの PFT 食者の関係など，細胞・個体レベルの両面において，ま とも配列に相同性を示さないことから，メカニズムに関 たさまざまな生物種固有の生活環境において，極めて複 してもユニークなものであることが推定された．そこ 雑多岐にわたる関係性の中での多様な戦いであることは で，CEL-Ⅲによる膜孔形成メカニズムの解明を目的と 想像に難くない．そのような多様かつ複雑な関係性の中 して，筆者らにより CEL-Ⅲ膜孔形成複合体の結晶構造 で，個々の生物種は固有の毒を有することで敵との戦い 解析が行われた (7)． の武器としており，その武器は進化の過程で多種多様に 明らかになった CEL-Ⅲの膜孔形成複合体結晶構造は， 獲得されかつ最適化されていることは，これまでに報告 直径 115 Å×高さ 135 Åの巨大な「画鋲型」構造を有し されている生物毒の種類の豊富さや，現在でも日々報告 ており，既知の PFT 複合体構造とは共通性を有しない されている新規生物毒から伺い知ることができる．生物 極めてユニークな 7 量体構造であった（図 1D）．画鋲の が有するタンパク質毒としてこれまでに報告されている 針に相当する部分は β バレル構造を形成し，この部分が ものは 300 種類を超え，その報告数のうち 3 分の 1 以上 細胞膜を貫通していることが推測された．また，画鋲を を占める最も主要なものは，膜孔形成毒素（Pore-Form- 指で押す面とは反対側の面に糖結合部位（合計 35 サイ (1) ing Toxin; PFT）と呼ばれる毒素タンパク質である ． ト）が集中していることから，この面でターゲットとす PFT はターゲットとする細胞の細胞膜に穴（膜孔）を る細胞膜表面上の糖鎖と結合し，それにより膜孔形成複 開ける機能を有しており，いったん PFT により低分子 合体が細胞膜上で強力に固定されていることが推測され が通過可能な膜孔が空けられると，細胞膜内外の浸透圧 た．CEL-Ⅲは通常水溶性モノマーとして存在し，ター 差により細胞が膨張・破裂することで，その細胞は物理 ゲットとする細胞膜表面上にさらされた場合のみ，その 的 か つ 完 全 に 破 壊 さ れ る こ と と な る． こ の よ う に， 膜上で膜孔複合体化を行う．以前明らかにされている水 PFT による細胞破壊作用は極めて強力なものであり， 溶性モノマーの結晶構造 (4, 8) と，今回明らかにされた膜 各種生物における生存もしくは攻撃のための武器として 孔形成複合体の結晶構造の比較から，CEL-Ⅲによる膜 多様な PFT が機能し，また病原性微生物の PFT がヒト 孔形成のメカニズムが明らかとなった（図 1） ．CEL-Ⅲ に対する毒性発現に深くかかわっている事例も多数報告 は，ターゲットとする細胞膜上の特異的糖鎖との結合を (2) されている ． 行うことで，それが引き金となりドメイン 3 の相対的な PFT の一種である CEL-Ⅲは，九州は玄界灘周辺の海 配置の移動が生じる．次に，その移動により生じた新た ）と呼ばれる小 な表面同士が会合し，7 量体のプレポア構造が形成され 型のナマコの体内から発見され，その発見と同時に る．プレポア構造においてドメイン 3 に含まれる 2 本の 底に生息するグミ（ (3) CEL-Ⅲの溶血性レクチンとしての活性が確認された ． ヘリックスを含む領域が，長い 2 本の β シートへと二次 CEL-Ⅲの溶血性レクチン活性とは，CEL-Ⅲが PFT の機 構造変換を行い，その β シートにより膜貫通 β バレル構 能である溶血活性と，レクチンの機能である糖結合活性 造が形成される．この二次構造変換と膜貫通へと至る自 を併せ持つことを意味している．細胞膜の表面は，その 発的な構造変化には何らかのエネルギーが必要であると 生物種に固有の糖鎖構造を有していることから，CEL- 思われるが，上記領域の水素結合数は構造変化に伴いモ Ⅲはターゲットとする細胞膜上での膜孔形成の際に特異 ノマーあたり 24 個増加することになるため，この水素 的糖鎖認識と糖鎖への結合がかかわり，その結合が引き 結合数の増加がドライビングフォースとして構造変化が (4) 金となって膜孔が形成されることが示唆された ．PFT による膜孔形成メカニズムに関しては，その膜孔形成複 74 進行することが推測された． 驚くべきことに，CEL-Ⅲの膜孔形成反応に伴うこの 化学と生物 Vol. 53, No. 2, 2015 今日の話題 図 1 ■ CEL-Ⅲ膜孔形成複合体の立体構造， およびその推定膜孔形成メカニズム （A）CEL-Ⅲの水溶性モノマー構造（左）お よび そ の 細 胞 膜 表 面 糖 鎖 へ の 結 合（右） ． （B）ドメイン 1 および 2 への糖鎖の結合が引 き 金 となり，ド メイン 3 の 移 動 が 生 じ る． （C）ドメイン 3 の移動により現れた表面を介 して互いに会合し，ドーナツ型の中間体 7 量 体 構 造（プ レ ポ ア 構 造） が 形 成 さ れ る． （D）プレポア構造から α ヘリックス→ β シー トへの二次構造変換を伴う β バレルの形成に より，膜孔形成複合体構造が完成する． α へリックスから β シートへの大規模な二次構造変換 は，PFT としては最も報告例が多いコレステロール依 存性サイトリシン（CDC）ファミリー，および哺乳類 の自然免疫機構にかかわり侵入微生物の細胞膜に膜孔を 形成する MACPF ファミリーにおいて，電顕解析から 推定されているメカニズム (9, 10) と共通していた．CELⅢは，それらファミリーとは配列に相同性を有せず，ま たそれらとは立体構造，膜孔複合体を構成するオリゴ マー数，および由来する生物種についても大きく異な る．それにもかかわらず，それらと β バレル形成におけ る二次構造変換メカニズムが共通することを示唆する知 見は，タンパク質構造多様性の極限におけるメカニズム の共通性という点で非常に興味深い． 日本近海は，極めて多様な生物が棲息する生物多様性 4) T. Uchida, T. Yamasaki, S. Eto, H. Sugawara, G. Kurisu, A. Nakagawa, M. Kusunoki & T. Hatakeyama: , 279, 37133 (2004). 5) L. Song, M. R. Hobaugh, C. Shustak, S. Cheley, H. Bayley & J. E. Gouaux: , 274, 1859 (1996). 6) M. Mueller, U. Grauschopf, T. Maier, R. Glockshuber & N. Ban: , 459, 726 (2009). 7) H. Unno, S. Goda & T. Hatakeyama: , 289, 12805 (2014). 8) T. Hatakeyama, H. Unno, Y. Kouzuma, T. Uchida, S. Eto, H. Hidemura, N. Kato, M. Yonekura & M. Kusunoki: , 282, 37826 (2007). 9) S. J. Tilley, E. V. Orlova, R. J. C. Gilbert, P. W. Andrew & H. R. Saibil: , 121, 247 (2005). 10) R. H. P. Law, N. Lukoyanova, I. Voskoboinik, T. T. CaradocDavies, K. Baran, M. A. Dunstone, M. E. D Angelo, E. V. Orlova, F. Coulibaly, S. Verschoor : , 468, 447 (2010). 11) K. Fujikura, D. Lindsay, H. Kitazato, S. Nishida & Y. Shirayama: , 5, e11836 (2010). のホットスポットと呼ばれている (11)．その敵だらけの環 境 に お い て，グ ミの CEL-Ⅲは 高 等 生 物 の 細 胞 に 対 し PFT として機能することで，魚類などの捕食者に対する 忌避物質の役割を担っていると考えられる．PFT を筆頭 にタンパク質機能を極限まで発達させ，それらを武器に 日本近海でほかの生物と日々戦う様を空想しながら酒の 肴に食べるナマコの味は，ひと味違いはしないだろうか． 1) J. E. Alouf: Pore-Forming Toxins, ed. by F. G. van der Goot, Heidelberg, Springer Verlag, 2001, pp. 1‒14. 2) F. C. O. Los, T. M. Randis, R. V. Aroian & A. J. Ratner: , 77, 173 (2013). 3) T. Hatakeyama, H. Kohzaki, H. Nagatomo & N. Yamasaki: , 116, 209 (1994). 化学と生物 Vol. 53, No. 2, 2015 （海野英昭，長崎大学大学院工学研究科） プロフィル 海野 英昭（Hideaki UNNO ） ＜略歴＞2006 年大阪大学大学院理学研究科 高分子科学専攻博士後期課程単位取得退 学／同年同大学蛋白質研究所特任研究員／ 同年博士（理学）同大学／同年長崎大学工 学部助手／2007 年同大学助教，現在に至 る．2009∼2010 年英国インペリアルカレッ ジロンドン客員研究員＜研究テーマと抱 負＞タンパク質の結晶構造解析をベースと した構造生物学＜趣味＞ドライブ Copyright © 2015 公益社団法人日本農芸化学会 75
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