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2026/02/16
研究成果
タンパク質は多くの場合、ペアやグループとして機能しており、その内部にある結合部位が隠れているため、本来の構造を変えずに個々のユニット（構成単位）を研究することは困難とされてきました。本研究チームは、筋萎縮性側索硬化症（ALS）に関連するタンパク質「SOD1」を化学的にタグ付けし、微小な自己組織化「人工ケージ（カゴ状分子）」内にカプセル化することで、その単一ユニット（単量体）を分離することに成功しました。この技術により、通常は隠れているタンパク質の界面が露出し、ケルセチンのような特定の化合物がこの領域に結合することを特定できるようになりました。これは、疾患の原因となるタンパク質の凝集を阻害する薬剤を探索するための、有望な新戦略となります。
同一のタンパク質サブユニットが会合して形成される「ホモオリゴマー（同種多量体）」は、生物体内の全タンパク質の約20〜45パーセントを占めています。創薬においては、単一のサブユニット（単量体＝モノマー）が独立してどのように機能するかを理解することが極めて重要ですが、それらは自然な状態では互いに接着して安定した構造を作るため、単離することは困難です。従来、科学者たちは遺伝子変異を利用してこれらのタンパク質を引き離してきましたが、この方法はタンパク質本来の構造や安定性を損なうことが多く、真の特性を研究することを難しくしていました。これは、極めて安定なペア（二量体）を形成し、異常な凝集を起こすとALS（筋萎縮性側索硬化症）に関連するタンパク質「スーパーオキシドジスムターゼ1（SOD1）」において、特に関連性の高い課題です。
構造を変える変異を用いずに単量体を分離するため、研究チームは、パラジウムイオンと有機配位子から自己集合する球状の「配位ケージ」を用いた手法を開発しました。
まず、プロセスの足場とするために、SOD1タンパク質のN末端に特定のピリジン系タグを化学的に結合させました。その後、「ワンポット（同一容器内）」での錯形成を行い、タグ付きタンパク質の周囲にケージ構造が形成されるよう誘導しました。このケージの内部空洞（約5〜6ナノメートル）は、SOD1の完全な二量体（6.7ナノメートル）を収容するには小さすぎるため、このシステムは、溶液の平衡状態で一時的に解離した小さな単量体（3.9ナノメートル）のみを選択的に捕捉し、ペアを形成している相手から効果的に隔離することに成功しました。
本研究は、このカプセル化戦略により、変異導入法にありがちな構造の歪みを回避し、本来のペア状態で存在するときと同じ構造を保ったままの「天然型SOD1単量体」を分離できることを実証しました。重要な点は、単量体を分離することで、通常は埋没してアクセスできない「二量体界面」（2つのタンパク質ユニットが通常結合している疎水性表面）が露出したことです。STD-NMR（飽和移動差NMR）分光法を用いて解析した結果、ケルセチンなどのフラボノイド化合物が、この露出した単量体の界面に特異的に結合する一方で、完全な二量体とは相互作用しないことが判明しました。これは、本ケージ法が、タンパク質の凝集を引き起こす特定の領域を標的とするリガンド（結合物質）の特定を可能にすることを裏付けるものです。
本研究は、配位ケージ内での単量体分離が、通常はグループで存在するタンパク質の固有の性質を研究するための汎用的なプラットフォームになることを確立しました。天然型モノマーを捕捉することで、科学者はこれまで隠されていた分子界面にアクセスし、標的とすることが可能になり、創薬への新たな道を切り開きます。これらの露出した界面は、ALSのような神経変性疾患だけでなく、HIVやB型肝炎など、タンパク質の会合が関与する他の疾患に対する治療薬の有望な標的となります。
著者: Risa Ebihara, Takahiro Nakama, Ken Morishima, Maho Yagi-Utsumi, Masaaki Sugiyama, and Makoto Fujita
掲載誌: Journal of the American Chemical Society
論文タイトル: "Monomer Isolation from Oligomeric Proteins within Coordination Cages to Study Interface Ligand Binding"
DOI: 10.1021/jacs.5c19487
