Expectations for Sakabe'S Planned Structural Biology Center

Fac. of Engineering Sci./Osaka Univ., Katsuzo WAKABAYASHI

Recent advances of molecular genetics and protein crystallography are the twin pillars for our understanding of life processes. Protein crystallography, depending upon the developments of synchrotron radiation and computer technologies, is now combined with genetic engineering and becomes an essential tool of modern structural biology. With these considerations, I discuss the future prospects of structural biology from the view of non-crystalline X-ray diffraction research and our expectations for the establishment of a Structural Biology Center according to Sakabe's conception.

1. はじめに

周知のように、近年構造生物学は大きな進歩を遂げております。それは、ジェノ ムプロジェクトに代表される遺伝子の解読とそれに続く遺伝子・蛋白工学の発展であ り、もう一つは蛋白のX線結晶回折法による原子レベルでの構造解析の進歩によっ ています。特に蛋白結晶回折は、シンクロトロン放射光と計算機技術の発展とク ローニングによって純度の高い蛋白質が大量に得られ、容易に結晶構造の解明がな されるようになって今や構造生物学には必要不可欠な技術になっています。

このように多数の蛋白分子の構造が知られるようになってきた現在、構造生物学 としての次の目標は蛋白分子の機能と構造との関係を原子的分解能で解明すること であります。それには機能発現中の動的構造変化を直接的に捉えることが必要にな ります。酵素反応を結晶中で行わせて時分割ラウエ法で調べようとする研究が進展 していますが、結晶中での測定が困難な場合がたくさんあります。一次構造から三 次構造の構築原理の研究、さらには分子集合系での構造研究は異なる回折学的手法 をとらざるを得ません。ここでは非結晶X線回折法で研究している立場からこれか らの構造生物学の発展と構造生物学センター構想(坂部構想)に寄せる期待を述べ させて頂きます。

2. 構造生物学の発展と課題

結晶解析法によって得られる原子的分解能の構造は、それ自身蛋白の機能を雄弁 に説明することもありますが、多くの場合原子構造からは機能を推測することしか 出来ず、その推測の正否は他の手法によって確認するしかありません。この点をも う少し、筆者の筋肉研究を例にして述べてみたいと思います。

筋肉の収縮はアクチンと、ATP分解能を持つミオシン頭部の相互作用によって生 じます。1990年代はじめ、アクチンモノマーとミオシン頭部の結晶構造が解明され たことは筋収縮を研究する上で大きな進歩でありました。しかし、筋収縮のメカニ ズムがこれらの結晶構造の解明からすぐ明らかになったかと云えば決してそうでは ありません。ミオシン頭部の原子構造が明らかにされた時、「逆首振りモデル」と 呼べるような張力発生のメカニズムが提案されました。ミオシン頭部内でATPの結 合部位がドメイン間のポケット状の溝にあります。ATPの結合がポケットを閉め、 溝の両側のドメインの配置が変わることにより頭部全体の構造を大きく変え、その 動きが張力発生を生ずるというものであります。この考え方は従来の酵素の基質結 合に伴う構造変化の考え方と生理学的実験に基づいて提案されていた「首振りモデ ル」を結びつけたもので、筋収縮の首振り仮説に結晶構造に基づいた実態を与えた とも云えます。ところが、X線溶液散乱によるATP加水分解中やATP分解中間体アナ ログによるミオシン頭部の構造研究はこのような見方を必ずしも支持していないこ となどから、このモデルは筋肉や筋蛋白分子の性質を十分説明するものになってい ません。現在ミオシン頭部は幾つかのATPアナログやADPを結合した状態での結晶 構造が解かれはじめ、これによってATP分解やアクチンとの相互作用に必要な分子 内ドメインの変化が明らかにされてくるものと期待されます。このような研究は酵 素化学の面では重要です。ところが、ミオシンの機能はATPの分解だけでなく、そ れと共役してアクチンとの相互作用による張力発生という面があります。蛋白分子 の状態はその化学状態によって規定され、化学状態と構造が1:1に対応すると考 えるのが一般的ですが、ミオシンの場合、分子にかかる力によってミオシンの構造 が変わる可能性があります。つまりミオシンの状態を規定するには、化学状態と力 学状態の二つの要素を規定する必要があります。最近のin vitroアクトミオシン運動 計測の研究ではミオシン分子の化学状態と構造状態の共役性が力学状態に依存して 変わり、化学量論性が必ずしも成り立たないと云った興味ある知見が出されていま す。構造と力の関係の情報は結晶構造を眺めていても得られません。このようなと き、筋肉の発生する力を変えさせて、構造変化をX線回折によって筋肉の回折像の 変化を調べることが本質的な研究法となります。

アクチンもミオシンも筋肉中では重合してフィラメントの形をとっています。分子 の間の結合の様子も、結合による分子の構造変化、張力発生と云う機能の発現どれ についても結晶構造からだけでは推測することしかできず、筋肉からのX線回折 データや電子顕微鏡による知見が重要な情報になっています。アクチンモノマーの 結晶構造が明らかにされて、アクチンフィラメントの繊維X線回折パターンの解析 が結晶構造を基に行われ、アクチンモノマー同志の結合の様子やフィラメント内で のアクチン分子の構造的違いも議論されるようになってきました。しかし、ATP分 解を伴うアクチンのフィラメント形成に関する分子的機構は未だ分からずこれから の問題です。さらに筋収縮の制御機構において、カルシウムイオン結合によるアク チンフィラメント上の制御蛋白、さらにはアクチン分子自身の構造変化が重要であ ると考えられていますが、これについても筋肉でのX線回折データが最も重要な知 見を提供し、個々の分子の原子構造のモデルを使って説明する研究が行われていま す。このように構成分子の結晶構造の解明は繊維状集合系のX線解析法にも新たな 方法論の展開をもたらしています。

その他、蛋白質の立体構造の構築原理の研究があります。蛋白質の固有の立体構造 は遺伝子によって合成された一次元アミノ酸配列に基づき自発的に形成され、それ によって特有の機能を発現します。X線結晶解析で決定されるのはこの構造です が、特定の立体構造が形成される原理の理解には到っておりません。この理解には 折り畳みの始状態や中間状態の構造を調べることが必要になります。これにもX線 溶液散乱法を使ってunfoldingやfoldingの過程を調べることが大変有効です。

3. おわりに

結晶構造は一次構造と同様に、蛋白質の機能を考える時基本的に重要で、これな くしては原子的分解能での機能の議論はできません。しかし、それから直ちに蛋白 の機能がすべて説明されるわけではありません。これは、ここで例にした筋収縮に 限った問題でなく、他の多くの蛋白の研究にもあてはまる問題で、これからの構造 生物学の大きな課題であります。この問題に対していろいろなアプローチがありま すが、繊維X線回折やX線溶液散乱法のような非結晶X線回折/散乱法は有用な情 報を与える手段で、特に筋収縮や酵素反応、大きな分子変化の伴うアロステリック 蛋白の動的研究、蛋白のfo1dingの研究においては最も有効な方法となります。遺伝 子工学的手法を組み入れて、それらの方法で得られた結果を結晶構造に基づいて、 解析することによって蛋白分子の機能をアトミックレベルで解明されるようになる でしょう。結晶回折と同様、非結晶X線回折にもシンクロトロン放射光の利用が必 須であります。

以上述べてきましたように、結晶解析の手法と非結晶X線回折の手法は相補的 で、両者の組み合わせでバランスのとれた構造生物学の発展が期待されます。「 TARA坂部プロジェクトから構造生物学センターへの発展をめざして」という坂部先 生の研究体制構想には、結晶解析の黄金時代とも云うべき今日「構造生物学」の総 合的発展のイメージが述べられていました。大変時宜にかなった構想で、一刻も速 く実現されることを期待して止みません。