タンパク質に注目！

　生命現象は、生物を構成する分子のレベルでみると、基本的には生体分子間の相互作用や生体内反応で説明できる。本分野では、生体分子の中でも特にタンパク質に注目している。タンパク質は３大栄養要素の一つとしてよく知られているが、生体中では水に次いで多く存在し、細胞の約15％を占める生体にとって最も重要な生体高分子の一つである。生命現象の基本である生体分子間の相互作用や生体内反応でタンパク質がはたらいており、タンパク質は生命活動の重要な担い手である。生体内でのタンパク質のはたらきに異常がみられた時、病気になる。そのため、病気に関わるタンパク質を対象に薬の開発が行われ、治療に用いられている。タンパク質のはたらきを三次元レベルで詳細に理解することは、薬の開発にとって重要である。

タンパク質の立体構造を数十ピコメートル（ピコメートルは１兆分の１メートル）の正確さで決める！

　タンパク質は19種類のL-アミノ酸とグリシンがペプチド結合によってつながったポリペプチドで、アミノ酸の配列は遺伝子の塩基配列にしたがって、細胞の中のタンパク質合成工場であるリボソーム（平成21（2009）年のノーベル化学賞はこの巨大分子の立体構造をX線結晶構造解析で決めることに成功させた３名の科学者に与えられた）で作られる。その長さは数十残基から数千残基と多様だ。タンパク質の長いポリペプチド鎖は、①そのアミノ酸配列によって自発的に、もしくは②タンパク質の折りたたみを助ける分子シャペロンと呼ばれるタンパク質の働きを借りて、もしくは③相互作用するタンパク質に出合ったときお互いの相互作用を通して、折りたたまれ三次元的に固有の立体構造をとり働く。私たちは主にX線結晶構造解析法により、免疫およびDNAに関わる重要なタンパク質の立体構造を数十ピコメートルの正確さで決定して、それらが働く仕組みを原子の位置のレベルで調べている。

免疫により身体を守る仕組みがわかり、その情報を治療やワクチン開発に利用！

　ヒトはウイルスなどの外部由来の物質から免疫により守られており、T細胞は免疫応答を司る主要な細胞である。ウイルスなどの外部由来物質の侵入を認識すると、T細胞は抗原に対する機能を手に入れ、そのT細胞を増やすことにより侵入した抗原を排除する免疫応答を誘導する。B7-1はT細胞の調節に関わる分子であり、CTLA-4はB7-1の阻害型受容体である。B7-1、さらにB7-1がCTLA-4と結合した状態の構造解析を行い、T細胞を調節する仕組みを明らかにした（図１）。CTLA-4は2018年に本庶佑博士と同時にノーベル医学生理学賞を受賞したJames Allison博士により発見された。CTLA-4は制御性T細胞の上にも存在しており、制御性T細胞を抑制的に制御することにより、自己への攻撃を阻害している。CTLA-4の遺伝的な変異をもつ人がおり、自己免疫疾患の発症への影響が知られている。CTLA-4の遺伝的変異と自己免疫疾患との関係についてLondon大学のDavid Sansom教授と共同研究を進めている。

　T細胞は異物を排除すると細胞死を誘導して、免疫応答を終わらせる。細胞死から逃れた一部のT細胞が記憶T細胞として生き残り、同じ抗原の二度目の侵入時に速やかに免疫応答を誘導する。IL（インターロイキン）-15は、記憶T細胞の誘導において重要なはたらきをする。IL-15受容体（R）は、IL-2と共有される及び鎖、さらに特異的な鎖から構成される。IL-15がIL-15R受容体と結合した状態の構造解析を行い、記憶T細胞を誘導する仕組みを明らかにした（図２）。

　アフリカ豚熱（ASF）はASFウイルス（V）を原因とする豚とイノシシの感染症である。ASFVの表面にはCD2vと呼ばれるタンパク質があり、CD2vを介して宿主細胞と結合することにより感染が成立する。英国Pirbright研究所とOxford大学と共同で、ASFVから毒性因子を欠失させ、更にCD2vに変異を導入することにより3種類のASFV株に対するワクチンの開発を行った。現在これらのワクチンに関する2件の国際特許を申請中である。

DNA合成の仕組み、DNAの損傷を見つける仕組みがわかる！

　遺伝情報を担うDNAの合成は、生命活動における重要な生体内反応の一つに挙げられる。

　DNAは、塩基、糖、リン酸からなるデオキシリボヌクレオチドが直鎖状に繋がったもので（DNA鎖と呼ばれる）、２本のDNA鎖が二重らせん構造を形成して、遺伝情報は保持されている。DNAポリメラーゼは、DNAの原料であるdNTP（デオキシリボヌクレオシド三リン酸）をDNA鎖の末端に連結する合成反応を繰り返すことで、DNA鎖を伸長する（図３）。タンパク質の動きを連続したスナップ写真のように撮影する「時分割」構造解析法を確立することで、DNAポリメラーゼが行うDNA合成反応を反応開始から終了まで詳細に観察した。その結果、DNAポリメラーゼが立体構造を変えながら、DNA鎖とdNTPとの間に共有結合をつくる様子、すなわちDNA合成の起こる瞬間を観察することができ、DNA合成の仕組みが原子レベルで明らかになった。

　またDNAの塩基は、化学的に不安定で修飾を受けやすく、例えば、グアニン塩基が活性酸素により酸化された8-オキソグアニン塩基（8-oxoG）は、突然変異の原因となる (図４)。生物は8-oxoGを取り除くタンパク質を有しており、MUTYH、MutT、MTH1というタンパク質は、8-oxoGをもつDNAやdNTPを修復・分解することで突然変異を抑制している。MUTYH、MutT、MTH1の立体構造を決定することで、これらタンパク質が8-oxoGの形を認識し、しっかりと捕まえて修復・分解するというDNAやdNTPの傷を見つけて取り除く仕組みが明らかになった（図４）。