タイトルで完全にネタバレですが、少し前にScience誌にラジカル反応を用いたタンパク質の翻訳後修飾についての論文が同時に２報発表されました。

A chemical biology route to site-specific authentic protein modifications

Yang, A.; Ha, S.; Ahn, J.; Kim, R.; Kim, S.; Lee, Y.; Kim, J.; Söll, D.; Lee, H.-Y.; Park, H.-S. Science, 2016, 354, 623. DOI: 10.1126/science.aah4428

Posttranslational mutagenesis: A chemical strategy for exploring protein side-chain diversity

Wright, T. H.; Bower, B. J.; Chalker, J. M.; Bernardes, G. J. J.; Wiewiora, R.; Ng, W.-L. L.; Raj, R.; Faulkner, S.; Vallée, M. R.; Phanumartwiwath, A.; Coleman, O. D.; Thézénas, M.-L. L.; Khan, M.; Galan, S. R. R.; Lercher, L.; Schombs, M. W.; Gerstberger, S.; Palm-Espling, M. E.; Baldwin, A. J.; Kessler, B. M.; Claridge, T. D.; Mohammed, S.; Davis, B. G. Science 2016, 354. DOI: 10.1126/science.aag1465

以前にもケムステでは同じような「同時多発研究」を紹介していますが(C-CN結合活性化を介したオレフィンへの触媒的不斉付加や超一流化学者の真剣勝負が生み出した丸かぶり論文)、この手の話を聞くと毎回ぞっとしますね。さて早速ですが内容に移っていきましょう。

人工的なタンパク質の翻訳後修飾法

タンパク質はDNAからRNAへの転写、RNAからの翻訳により合成されます。その後合成されたタンパク質は、糖鎖付加やリン酸化、メチル化などの化学的な修飾が施されることで、タンパク質に機能を付与したり、活性調節を行ったりします。これを翻訳後修飾と言います。

このように生命現象に深く関与している翻訳後修飾の研究は盛んに行われており、とりわけ翻訳後修飾タンパク質の合成が、生化学的な手法、合成化学的な手法を用いて行われています¹。しかしながら現在までに合成できる翻訳後修飾タンパク質は限定的です。

デヒドロアラニンを経由した化学的修飾法

例えば、翻訳後修飾タンパク質の合成法における一つの大きな流れとして、デヒドロアラニン(Dha)を経由したタンパク質への化学的修飾法が挙げられます。すなわちシステインやセリンなどをDhaに誘導後、種々の求核剤を作用させることで、人工的に翻訳後修飾されたタンパク質が合成できます。しかしながら問題点として、求核剤の多くがチオールであり、反応後には必ずチオエーテル部位が残ってしまいます。そのため、自然界で見られるようなnativeな翻訳後修飾を再現することができません。

デヒドロアラニンとチオールとのマイケル付加反応による翻訳後修飾タンパク質の合成 (ref 2の図より引用)

二つのグループが取った戦略－デヒドロアラニンに対するラジカル反応を用いたC–C結合形成！

従来法では合成困難であったnativeな翻訳後修飾を達成すべく立ち上がったのは、KAISTのProf. ParkとProf. Lee、そしてYale大学のProf. Söllがタッグを組んだグループと、デヒドロアラニンを経由したタンパク質の翻訳後修飾法の開発で著名なオックスフォード大学のDavisらのグループです。

そして奇しくも２グループともデヒドロアラニンに対するラジカル反応を用いたC–C結合形成というアプローチを採用しました。本手法を用いれば反応後に不要なチオエーテル結合が残りません。以下に今回の２グループが行った方法の全体像を示します。

二つのグループが行った方法の全体像。それぞれの条件は異なるものの戦略は全く同じ (ref 3の図より引用)

デヒドロアラニン合成に関してはDavisらは独自に開発した方法を、Parkら合同チームはホスホセリンに塩基を作用させる方法を採用しています。このデヒドロアラニン合成に関してはこれまでに種々の報告がなされているため、今回は説明をこちらの総説²に任せて、詳細は割愛させてもらいます。

さてラジカル反応の条件に関してです。Davisらはデヒドロアラニンに対してZnとヨウ化アルキルを作用させたところ、予想通りC–C結合形成反応が進行しました。しかしながら副生成物としてジアルキル化および酸素と反応して生成したと考えられる物が得られてしまいます(下図参照)。そこで種々検討した結果、ラジカル発生剤をZnからNaBH₄に変更し、反応をグローブボックス内において行うことで綺麗に反応が進行することがわかりました。相当な条件検討があったことが伺い知れますね。それに対してParkら合同チームはNaBH₄の代わりにZnと酢酸銅を合わせ用いることでラジカル反応が良好に進行することを見出しました。

Davisらの方法で得られた副生成物 (Supporting Informationより引用)

どちらの方法が有用なのか

さて、結局のところどちらの方法が優れているのでしょうか？Davisらは見出した方法で合計8種類の翻訳後修飾されたタンパク質の合成をおこなっており、一方、Parkら合同チームは3種類のタンパク質を合成しています。合成した数だけで言えばDavisらに軍配が上がりますが、それだけでどちらが優れているというのを判断するのは難しいですね。しかし一つ言えることは、これら二つの方法を用いることで、我々は10種類ものタンパク質に対して翻訳後修飾することが可能になったということです。

今回の手法で合成した翻訳後修飾タンパク質 (ref 3の図より引用)

おわりに

途中で気づいた方も多いかもしれませんが、今回の記事の図はBodeらによる解説記事³から多く引用させていただきました。より詳細な内容が気になる方はこのBodeらによる解説記事および原著論文を合わせて読んでみていただけたらと思います。

今回紹介した人工的なタンパク質の翻訳後修飾法を用いることで、さらなる生命現象の解明がなされることを期待したいです。と思うのと同時に、このような「同時多発研究」で競り負けないように実験がんばろう！と思いました。

という感じでこの記事を締めたいと思います。

参考文献

1.  Genetic code expansion: Noren, C. J.; Anthony-Cahill, S. J.; Griffith, M. C.; Schultz, P. G. Science, 1989, 244, 182. DOI: 10.1126/science.2649980　Protein synthesis: Dawson, P. E.; Muir, T. W.; Clark-Lewis, I.; Kent, S. B. Science, 1994, 266, 776. DOI: 10.1126/science.7973629　Chemical mutagenesis: Simon, M. D.; Chu, F.; Racki, L. R.; de la Cruz, C. C.; Burlingame, A. L.; Panning, B.; Narlikar, G. J.; Shokat, K. M. Cell, 2007,128, 1003. DOI: 10.1016/j.cell.2006.12.041
2. Chalker, J.; Gunnoo, S.; Boutureira, O.; Gerstberger, S.; Fernández-González, M.; Bernardes, G.; Griffin, L.; Hailu, H.; Schofield, C.; Davis, B. Chem Sci, 2011, 2, 1666. DOI: 10.1039/c1sc00185j
3. Hofmann, R.; Bode, J. W. Science, 2016, 354, 553. DOI: 10.1126/science.aai8788