広報活動

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2015年3月13日

理化学研究所

細胞内巨大プロテインクリスタルの運命

-自食機構によって隔離されるタンパク質結晶-

Xpaタンパク質を発現する培養細胞のタイムラプスイメージング図

Xpaタンパク質を発現する培養細胞のタイムラプスイメージング

理研の研究者を中心とした研究チームは、サンゴ由来の蛍光タンパク質を遺伝子改変する過程で、生きた細胞の中で巨大なタンパク質結晶(プロテインクリスタル)を形成する改変体を偶然発見し、Xpa(クリスパ)と名付けました。生きた細胞の中、とくに細胞質内においては、非常に多くの種類の分子が絶えず動き回っているため、結晶の形成は難しいとされていました。もっとも、Xpaタンパク質は蛍光を発することで発見されたと言えるでしょう。通常のタンパク質の結晶化も実は頻繁に起きている可能性があります。

研究チームは、Xpaタンパク質を材料に、タンパク質が細胞内で結晶化する過程や、その後に分解処理されていく過程の解析に取り組みました。まず、Xpaタンパク質を発現する培養細胞を観察したところ、結晶が非常に速いスピードで成長することが分かりました。結晶の核が形成されると同時に、細胞質に存在するほぼすべてのXpaタンパク質が瞬時に集合して結晶が完成することが考えられました。電子顕微鏡による観察では、結晶内にXpaタンパク質の多量体構造が規則正しく整列する様子が確認されました。また結晶が、細胞内小器官であるリソソームの膜で覆われていることが分かりました。リソソームは細胞内の不要なタンパク質を分解するオートファジーを担う器官です。Xpaのような大きなタンパク質結晶構造体の場合、大規模かつ非選択的に分解する「非選択的オートファジー」によって処理されると思われましたが、そうではないことが明らかになりました。不要の目印をつけて分解システムに持ち込む「選択的オートファジー」によって処理されていることが確認できました。すなわち、細胞質内で生成したXpaタンパク質結晶が、その後オートファゴソームという膜構造に囲まれ、最終的にリソソーム内に移行することが観察されました。

今回の研究によって、タンパク質結晶に対する細胞の応答に関して新しい知見が得られました。

Xpaのように結晶化しやすく突然変異したタンパク質が、どのように認識・処理されていくのかを調べることは、分子進化の観点で興味深い研究テーマになります。また、結晶だけではなく、タンパク質分子が不規則に固まる“凝集”にまで研究対象を拡大すれば、病気の原因とも言われる細胞内凝集体の存在様式について理解が深まると期待されます。

理化学研究所
脳科学総合研究センター 細胞機能探索技術開発チーム
チームリーダー 宮脇 敦史 (みやわき あつし)
客員研究員 筒井 秀和 (つつい ひでかず)
(現:北陸先端科学技術大学院大学 マテリアルサイエンス学部 准教授)