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への転写と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
- 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
- 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
- Piel研究室
- 翻訳後修飾：wikipedia
- Partial PROTACs : 標的タンパク質分解のためのクロスリンカー：メルク
