[スポンサーリンク]

化学者のつぶやき

タンパクの骨格を改変する、新たなスプライシング機構の発見

[スポンサーリンク]

DNAを設計図とするタンパクは、すべてα-アミノ酸からできています。ところがチューリッヒ工科大学のJörn Piel教授らは、タンパクの骨格にβ-アミノ酸を生じる天然のスプライシング機構を発見し、Science誌に発表しました。

“Natural noncanonical protein splicing yields products with diverse β-amino acid residues”

Morinaka B. I.; Lakis, E.; Verest, M.; Helf, M. J.; Scalvenzi, T.; Vagstad, A. L.; Sims, J.; Sunagawa, S.; Gugger, M.; Piel, J. Science 2018, 359, 779. DOI: 10.1126/science.aao0157

1. タンパクを構成するのはα-アミノ酸

図1. (a) 一般的なタンパク生合成の流れ。(b) リボソームでの翻訳。(c) α-アミノ酸の化学構造。

高校生物の教科書にもあるように、タンパクは一般的にDNAからmRNAへの転写mRNAからタンパクへの翻訳という過程を経てつくられます(図1a)。リボソームでの翻訳に使われる天然のアミノ酸は全てα型で、タンパクの骨格は-NH-CR-CO-という基本単位の繰り返しによってできています(図1b, c)。ところが今回、チューリッヒ工科大学のJörn Piel教授らは、天然のバクテリア細胞に、βアミノ酸(図2)を含むタンパクをつくる機構があることを発見しました。

図2. アミノ酸の化学構造。アミノ基の位置によってα-, β-型などに分類される。

2. 発見の経緯

Piel教授らは、海の生き物が持つ様々な生理活性化合物の研究をしています(ケムステ過去記事:ポリセオナミド:海綿由来の天然物の生合成)。彼らは、複雑な構造を持つ天然化合物が、生体内でどのようにして合成されるかを解明し、その合成機構を薬の合成などに応用することを目指しています。

その過程で彼らは、様々なバクテリアに存在し、タンパクの翻訳後修飾を行う酵素群を発見しました。これらの酵素は、特定のN末端構造(ニトリルヒドラターゼ様構造またはNif11様構造)を持つ先駆体タンパクに対して翻訳後修飾を行います。この酵素群についてゲノム解析を行っていると、ある機能不明の酵素の遺伝子が、先駆体タンパクの遺伝子と共局在していることが分かりました。遺伝子が共に存在しているということは、この酵素と先駆体タンパクが、機能的に関連している可能性が高いです。そこで彼らは、シアノバクテリア(Pleurocapsa sp. PCC 7319)の遺伝子をモデルに、この酵素の機能を調べることにしました。

3. 酵素PlpX・PlpYは先駆体タンパクの一部を切り取る

彼らが着目したシアノバクテリアの遺伝子には、先駆体タンパクA3, A2と、機能不明の酵素plpXが含まれています(図3a)。さらに、plpXの下流にはもう一つ、機能不明の遺伝子plpYも存在します。彼らは、これらの遺伝子を大腸菌に導入し、どのような翻訳後修飾が起こるかを調べました(図3b)。

図3.  (a) Pleurocapsa sp. PCC7319のplp遺伝子座。 (b) 大腸菌に導入した遺伝子。

どのような翻訳後修飾が起こっているかは、質量分析によって調べることができます。未知の酵素PlpX・PlpYと共に発現した先駆体タンパクA2, A3の質量を調べると、図4のような結果が得られました。酵素なしの場合や、酵素PlpXのみを発現した場合には、先駆体タンパクの質量に変化は生じていません。しかし、酵素PlpXとPlpYを同時に発現した場合には、m/z = 67.53 だけ小さい質量ピークが検出されています。これは、図4bのように、チロシンの一部(チラミン;Tyn)が切り取られたことと一致しています(z = 2)。タンデム質量分析やNMRからも、この考えに一致するデータが得られました。つまり、酵素PlpXとPlpYは、先駆体タンパクA2, A3の一部を切り取り、骨格に-NH-CR-CO-CO-(α-ケト-β-アミノアミド)の構造をもつタンパクを作り出す働きをしているのです。

図4. (a) 質量分析(LC-MS)の結果。スペクトルは論文より。(b) PlpXYによる翻訳後修飾機構。

4. ターゲットは”XYG”配列

では、どんな配列がPlpXYのターゲットとなるのでしょうか?ゲノム解析からは、先駆体タンパクが”チロシン-グリシン(YG)”という配列を持っていることが分かりました。そこで彼らは、先駆体タンパクA3の配列に様々な変異を入れ、Tynの切り取りが起こるかどうかを調べました。図5は、A3の様々な変異体と、翻訳後修飾の有無を示しています。チロシンの前のアミノ酸をG, A, V, L, S, P, Qなどに置換しても、翻訳後修飾がきちんと起こっています。また、切断部位”MYG”の前後にアミノ酸の挿入や欠失、置換があっても問題ないようです。

図5. 先駆体タンパクA3の変異体のアミノ酸配列と、翻訳後修飾の有無。野生型は(a)においてX = M。

5. おわりに

今回の翻訳後修飾機構を利用すれば、タンパクの骨格構造を変えたり、目的の位置に反応性部位を導入したりすることができます。実際、論文の最後には、α-ケトアミドをメトキシアミンと反応させてオキシムに変えたり、チオセミカルバジドを持つ蛍光分子で標識できることなどが示されています(図6)。また、α-ケトアミド構造は、プロテアーゼ阻害剤などの薬剤分子にも見られる構造なので、薬剤合成などにも応用されることが期待できます。

図6. α-ケトアミドを利用した化学反応。

参考文献

  1. Freeman, M. F.; Gurgui, C.; Helf, M. J.; Morinaka, B. I.; Uria, A. R.; Oldham, N. J.; Sahl, H.-G.; Matsunaga, S.; Piel, J. Science 2012, 338, 387. DOI: 10.1126/science.1226121
  2. Czekster, C. M.; Robertson, W. E.; Walker, A. S.; Söll, D.; Schepartz, A. J. Am. Chem. Soc. 2016 138, 5194. DOI: 10.1021/jacs.6b01023

関連リンク

関連書籍

kanako

kanako

投稿者の記事一覧

大学院生。化学科、ケミカルバイオロジー専攻。趣味はスポーツで、アルティメットフリスビーにはまり中。

関連記事

  1. ここまで来たか、科学技術
  2. 青いセレンディピティー
  3. 導電性ゲル Conducting Gels: 流れない流体に電気…
  4. ERATO伊丹分子ナノカーボンプロジェクト始動!
  5. 銀カルベノイドの金属特性を活用したフェノール類の不斉脱芳香族化反…
  6. 2009年人気記事ランキング
  7. 有機反応を俯瞰する ーMannich 型縮合反応
  8. 3.11 14:46 ②

コメント、感想はこちらへ

注目情報

ピックアップ記事

  1. 【書籍】機器分析ハンドブック2 高分子・分離分析編
  2. 第21回「有機化学で生命現象を理解し、生体反応を制御する」深瀬 浩一 教授
  3. アルキンメタセシス Alkyne Metathesis
  4. 特許にまつわる初歩的なあれこれ その2
  5. 高選択的な不斉触媒系を機械学習で予測する
  6. アンソニー・アルジュンゴ Anthony J. Arduengo, III
  7. クラウス・ミューレン Klaus Müllen
  8. エチオ・リザード Ezio Rizzardo
  9. トーマス・レクタ Thomas Lectka
  10. FAMSO

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

注目情報

注目情報

最新記事

位置多様性・脱水素型クロスカップリング

第281回のスポットライトリサーチは、菅原真純 博士にお願いしました。菅原さんは理化学研究所…

エノールエーテルからα-三級ジアルキルエーテルをつくる

α-オキシラジカルを経るエノールエーテルのa位官能基化が開発された。種々のアルキルエノールエーテルと…

アメリカ大学院留学:卒業後の進路とインダストリー就活(2)

前回の記事では、アメリカのPhD取得後の進路について、一般的な進路や就活を始める時期について紹介しま…

【第11回Vシンポ特別企画】講師紹介③:大内 誠 先生

今回の記事では、第11回バーチャルシンポジウム「最先端精密高分子合成」をより楽しむべく講師の一人であ…

第131回―「Nature出版社のテクニカルエディターとして」Laura Croft博士

第131回の海外化学者インタビューはローラ・クロフト博士です。Nature Chemistry誌とN…

【書籍】機器分析ハンドブック2 高分子・分離分析編

2020/10/20に刊行されたばかりのホットな書籍をご紹介します。概要はじめて機器…

アメリカ大学院留学:卒業後の進路とインダストリー就活(1)

PhD留学について、受験や大学院生活についての情報は豊富に手に入るようになってきていますが、卒業後の…

オキシム/ヒドラゾンライゲーション Oxime/Hydrazone Ligation

概要ケトン・アルデヒドは生体分子にまれにしか存在しないため、位置選択的な生体共役反応の標的として…

Chem-Station Twitter

PAGE TOP