広報活動

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2010年11月17日

独立行政法人 理化学研究所
国立大学法人 京都大学

多剤排出トランスポーターの機能を分子シミュレーションで初解明

-多剤耐性化のタンパク質AcrBの3つの部分構造が順序良く機能する仮説を実証-

ポイント

  • AcrBの機能的回転機構の仮説を計算機シミュレーションで初めて実証
  • プロトン結合に起因する薬剤解離が、機能的回転のボトルネックであると解明
  • 次世代スパコン「京」による高精度計算で、耐性機能のメカニズム実態が明らかに

要旨

独立行政法人理化学研究所(野依良治理事長)と国立大学法人京都大学(松本紘総長)は、社会問題となっている多剤耐性菌の原因の1つである多剤排出トランスポーター※1AcrBの「機能的回転機構※2」の仮説を、初めて計算機シミュレーションによって実証しました。独自に開発した数原子をまとめて表現する粗視化分子シミュレーション技法※3を駆使し、生体膜中のAcrBにH+(プロトン)が結合して引き起こされる薬剤解離過程が、機能的回転のボトルネックになっていることを示しました。理研情報基盤センター(姫野龍太郎センター長)の高田彰二客員研究員(京都大学大学院理学研究科准教授)、京大理学研究科の姚新秋研究員らと、国立大学法人東京工業大学の村上聡教授による共同研究の成果です。

多剤耐性は、院内感染やがん化学治療など重大な社会問題を引き起こしています。緑膿菌などの多剤耐性化は、多剤排出トランスポーターの発現量の増加が主な原因と考えられおり、この多剤排出トランスポーターの構造機能の解析が、多剤耐性化問題を克服するための大きな課題となっています。大腸菌の多剤排出トランスポーターであるAcrBは、2002年と2006年に村上聡教授らのグループがX線結晶構造解析によって構造を解明し、それに基づいた作動原理として「機能的回転機構」を提唱していました。しかし検証実験が難しく、仮説の実証ができていませんでした。

研究グループは、独自に開発した高速に大きな分子(分子複合体)を扱うことができる粗視化分子シミュレーション技法を使って、AcrBの薬剤排出過程を計算機上で再現し、機能的回転機構を実証しました。さらに、その機構で、生体膜中のAcrBにプロトンが結合することに起因する薬剤の解離過程が、機能的回転のボトルネックになっていることを示唆しました。次世代スパコン「京」が稼働する2012年を前に、分子動力学シミュレーションに粗視化技法を適用して研究開発を進め、この成果に結実しました。今後、次世代スパコン「京」により、さらなる高精度計算が可能になり、多剤耐性化問題克服に向けた研究を加速させていきます。

本研究成果の一部は、次世代スーパーコンピュータ「京」の有効活用を目指した文部科学省の「次世代生命体統合シミュレーションソフトウエアの研究開発」プロジェクトの一環で得られました。英国の科学雑誌『Nature Communications』オンライン版(11月16日付け:日本時間11月17日)に掲載されます。

背景

薬が効かなくなるという私たちにとって致命的な現象である「薬剤耐性化」は、現代医療の現場で大きな問題になっています。特に、ほとんどの抗生物質に対して耐性をもつようになった細菌、すなわち多剤耐性菌は、昨今のマスコミでも社会問題の1つとして取りざたされています。この多剤耐性化にはいくつかの異なる機構があります。院内感染で大きな問題となった緑膿菌の場合は、細菌の膜に存在する多剤排出トランスポーターとよばれるタンパク質の発現量が増え、抗生物質を菌外に排出してしまうことが主な原因となっています。

RND型※4の多剤排出トランスポーターは、細胞内外の酸性度(pH)の違いを利用してH+(プロトン)が移動することによって駆動され、その力を利用して薬剤を排出します。大腸菌由来のRND型多剤排出トランスポーター「AcrB」の原子構造は、2002年および2006年に国立大学法人大阪大学の村上聡准教授(現、東工大教授)らがX線結晶構造解析を使って解明しました。2002年の構造解析では、AcrBは、同じ分子が3つ集合した3回対称性※5をもつ3量体をとることが明らかになり、2006年の構造解析では、それぞれの分子が膜のプロトン輸送と薬剤排出の機能をもち、AcrB3量体は非対称な構造をしていることが分かりました。非対称なAcrB3量体構造の1つ目の分子では細胞内に向いた薬剤の入り口と思われる経路が開き(取込型)、2つ目の分子では薬剤が中央に結合し(結合型)、3つ目の分子では細胞外に向いた薬剤排出口が開いていました(排出型)。村上らは、AcrB3量体の3つの分子がこの3つの機能状態を順に経由することで薬剤を排出していると考えました。3つの分子が各々の状態を一段階変えていくごとに、構造全体ではちょうど120度回転したように見えることから、この薬剤排出のメカニズムを「機能的回転機構」と名付けました。しかし実験系による検証実験が難しく、この仮説の実証はできていませんでした。

研究手法と成果

研究グループは、次世代スーパーコンピュータ「京」の有効活用を目指した文部科学省の「次世代生命体統合シミュレーションソフトウエアの研究開発」プロジェクトの一環で、生体分子の粗視化分子シミュレーション技法の開発を独自に進めてきました。この方法は、従来の標準的分子シミュレーション法に比べ、はるかに大きな分子(細胞スケールまでの分子複合体)の長時間にわたるシミュレーションを可能とするものです。本研究では、この新しい技法を適用して、多剤排出トランスポーターAcrBの構造機能シミュレーションを行いました。

(1)AcrB3量体の機能的回転と薬剤排出

非対称なAcrB3量体構造のうち、薬剤が結合しているAcrB分子(図1左の青)に細胞外からプロトンが結合すると、薬剤が外側に排出され(図1中央)、それと前後して、ほかの2つのAcrB分子も状態を変化させて機能的回転が起こりました(図1右)。逆に、このプロトンが解離する過程からは、薬剤の排出も機能的回転も起こりませんでした。これは、プロトンが結合することに起因する薬剤の解離過程が、機能的回転のボトルネックになっていることを示しています。プロトン結合をきっかけに機能的回転が起こり、薬剤排出が生じうることが示されました。

(2)AcrB3量体の休止状態

非対称なAcrB3量体構造から薬剤を取り除くと、3回対称性をもつ構造が安定になることが分かりました。この構造は2002年の構造解析で見いだされたものに近いものです。すなわち2006年の構造解析で得た構造はAcrB3量体が薬剤を排出している途中のスナップショットで、2002年の構造は薬剤がないときの休止状態にそれぞれ対応していると考えられます。

今後の期待

今回の研究は、次世代スパコン「京」が稼働する2012年を前に、粗視化技術を取り込んだ分子シミュレーションの研究開発を進めたものです。文部科学省が進める「次世代生命体統合シミュレーションソフトウエアの研究開発」プロジェクトでは、より高精度なシミュレーション研究も同時に進行しています。今後、次世代スパコン「京」により高精度計算が可能になると、原子レベルでの詳細な動きが解明できると期待できます。これは、多剤排出トランスポーターによって排出されない薬剤、あるいは同トランスポーターの働きを止める薬剤の開発の基礎に貢献するものです。

発表者

理化学研究所
次世代計算科学研究開発プログラム
次世代生命体統合シミュレーション研究推進グループ
グループディレクター 姫野 龍太郎(ひめの りゅうたろう)
Tel: 048-467-9321 / Fax: 048-462-4634

国立大学法人京都大学大学院
理学研究科
准教授 高田 彰二(たかだ しょうじ)
Tel: 075-753-4220 / Fax: 075-753-4222

お問い合わせ先

報道担当

理化学研究所 広報室 報道担当
Tel: 048-467-9272 / Fax: 048-462-4715
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産業利用に関するお問い合わせ

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補足説明

  1. 多剤排出トランスポーター
    細胞膜を介して物質を輸送する膜タンパク質を総称してトランスポーターとよび、その中で抗生物質など多くの薬剤を細胞外に排出する機能をもつトランスポーターを多剤排出トランスポーターという。
  2. 機能的回転機構
    2006年のX線結晶構造解析で得たAcrB3量体の非対称構造をもとに、村上らが提案したAcrBの作動原理を説明するモデル。非対称構造では3量体の各分子は3つの異なる状態をとる。1つ目の分子は薬剤待ちの”取込型”、2つ目の分子は薬剤に結合した”結合型”、3つ目の分子は薬剤排出後の”排出型”とよばれる。薬剤1分子を排出すると3量体の構造状態がちょうど1段階ずつ変化し、1つ目の分子が結合型、2つ目の分子が排出型、3つ目の分子が取込型になると考えた。細胞外側からみると3量体の構造状態が120度回転していることに対応するので機能的回転機構とよばれる。この変化によって薬剤1分子が外側に運ばれる。同じ分子でできた3量体が非対称な構造状態をとる様子はATP合成酵素のF1-ATPaseと類似していることから、F1-ATPaseの作動原理との類推によって考案された。
  3. 粗視化分子シミュレーション技法
    広義には「もとの問題の重要な側面だけを残してより簡単な表現にする」ことを粗視化というが、ここでは原子レベルによるタンパク質表現から、アミノ酸1個を1粒子として近似する粗視化による分子動力学シミュレーションの技法を表す。
  4. RND型
    RND(resistance-nodulation-cell division)スーパーファミリーは、大腸菌、緑膿菌などのグラム陰性菌にみられるトランスポーター群であり、主に、pHの差に起因するプロトン輸送を駆動力としてリガンドを輸送する機能をもつ。
  5. 3回対称性
    120度、240度、360度回転させて区別がつかない回転対称のこと。

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プロトン結合に起因したAcrBの薬剤排出と機能的回転

図1 プロトン結合に起因したAcrBの薬剤排出と機能的回転

AcrB3量体は非対称な構造をしている。1つ目の分子では細胞内に向いた薬剤の入り口と思われる経路が開き(左図の緑:取込型)、2つ目の分子では薬剤が中央に結合し(左図の青:結合型)、3つ目の分子では外側に向いた薬剤排出口が開いていた(左図の赤:排出型)。薬剤が結合している2つ目の分子に細胞外からプロトンが結合すると(左図の破線矢印)、この分子の薬剤は細胞外に排出され(中央図)、ほかの2つの分子も状態を変化させる(右図)。この時の3量体の構造状態は、最初のもの(左図)からちょうど1段階ずつ変化し、1つ目の分子が結合型、2つ目の分子が排出型、3つ目の分子が取込型になって、120度回転したことになる(右図)。120度回転につき、薬剤1分子が外側に運ばれる。

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