[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

The following two tabs change content below.
kanako

kanako

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. 掟破り酵素の仕組みを解く
  2. ムギネ酸は土から根に鉄分を運ぶ渡し舟
  3. 150度以上の高温で使える半導体プラスチック
  4. Pure science
  5. 留学せずに英語をマスターできるかやってみた(4年目)
  6. 特定の場所の遺伝子を活性化できる新しい分子の開発
  7. 「脱芳香族的二重官能基修飾化反応の研究」ーイリノイ大学David…
  8. Micro Flow Reactor ~革新反応器の世界~ (入…

コメント、感想はこちらへ

注目情報

ピックアップ記事

  1. 「有機合成と生化学を組み合わせた統合的研究」スイス連邦工科大学チューリヒ校・Bode研より
  2. 水分解 water-splitting
  3. 有機合成化学協会誌2019年2月号:触媒的脱水素化・官能性第三級アルキル基導入・コンプラナジン・アライン化学・糖鎖クラスター・サリチルアルデヒド型イネいもち病菌毒素
  4. オペレーションはイノベーションの夢を見るか? その1
  5. 細胞の分子生物学/Molecular Biology of the Cell
  6. 松本和子氏がIUPACのVice Presidentに選出される
  7. 秋の褒章2009 -化学-
  8. (+)-ミンフィエンシンの短工程不斉全合成
  9. バイヤー・ビリガー酸化 Baeyer-Villiger Oxidation
  10. 光電変換機能を有するナノシートの合成

関連商品

注目情報

注目情報

最新記事

米国へ講演旅行へ行ってきました:Part IV

3部作で終わろうと思いながら、書くことが多すぎて終われませんでした。前回から2ヶ…

二水素錯体 Dihydrogen Complexes

水素分子がサイドオン型で金属中心に近づくと、二水素錯体を形成することができる。こうして形成した二水素…

分析化学科

お申込み・詳細はこちら◇分析化学科 (定員16名)本研修では「ものづくり企業」の品質管理等で…

多角的英語勉強法~オンライン英会話だけで満足していませんか~

国際学会で発表するにも、論文を書くにも、研究室の留学生と飲みにいくにも英語は必要です。しかし、それぞ…

ペプチドの革新的合成

第215回のスポットライトリサーチは、中部大学総合工学研究所分子性触媒センター助教・村松渉先生にお願…

年収で内定受諾を決定する際のポイントとは

転職活動の終盤で複数の企業から内定を獲得した際、「年収が決め手となって内定を受諾…

Chem-Station Twitter

PAGE TOP