広報活動

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2014年11月11日

理化学研究所

腸内細菌科細菌が腸内・体外の環境変化に順応するメカニズムを解明

-細菌感染症対策の鍵となる新しい分子メカニズム-

Lonプロテアーゼ酸化還元スイッチの分子メカニズムの図

Lonプロテアーゼ酸化還元スイッチの分子メカニズム

細菌のグループの1つに「腸内細菌科細菌」があります。大腸菌、サルモネラ菌、赤痢菌、ペスト菌などが代表的で、細菌感染症の約半数に関わるとされています。このことは、腸内細菌科細菌が、宿主の腸内の「嫌気環境(無酸素環境)」と、体外の「好気環境(有酸素環境)」のどちらの環境でも、強い増殖力を発揮できる「通性嫌気性」を持つからと考えられています。2つの環境では、細菌の細胞内で生じる異常タンパク質の量が大きく異なります。これを除去しているのがタンパク質分解酵素(プロテアーゼ)です。しかし、プロテアーゼの活性が過剰だと細胞内の正常なタンパク質まで分解してしまいます。そのため通常プロテアーゼの活性は、嫌気・好気のいずれかの環境に最適化されています。これに対し、腸内細菌科細菌は、両方の環境の変化に応じてプロテアーゼ活性を切り替えることができ、どんな環境でも強い増殖力を保つとされています。しかし、そのメカニズムは明らかになっていません。理研の研究者を中心とした研究グループは、その解明に挑みました。

研究グループは、腸内細菌科細菌が生育環境の変化に応じてプロテアーゼの活性を調節する「酸化還元スイッチ」を発見しました。このスイッチは、腸内細菌科細菌の細胞内で異常タンパク質を分解するLonプロテアーゼの中にあり、分解産物のペプチドを放出する出口のサイズを調節する役割を担います。この酸化還元スイッチが、大腸内の還元的環境にある細胞と、体外(大気中)の酸化的環境にある細胞のちょうど中間の酸化還元電位において、Lonプロテアーゼの活性を切り替えていることを明らかにしました。これによって、腸内細菌科細菌の細胞内タンパク質の分解活性は、腸内(嫌気環境)では低く、大気中(好気環境)では高く設定され、どちらの環境でも、細胞が強い増殖力を発揮することが可能になります。これは、これまでに類例がない、全く新規のメカニズムです。

腸内細菌科細菌は高い感染力をもち、私たちの暮らしに大きな影響を与えます。今回の研究成果は、感染症を分子レベルで理解する上で、パラダイムシフトといえるような新たな概念をもたらします。また、このメカニズムの解明は、細菌感染症の対策の鍵となる、新規薬剤の開発につながっていくと期待できます。

理化学研究所
上席研究員研究室 横山構造生物学研究室
上席研究員 横山 茂之 (よこやま しげゆき)
研究員 西井 亘 (にしい わたる)