補足説明

【背景】

生体内で様々な生理機能を担うタンパク質は、周囲の熱揺らぎにさらされながらその構造を巧みに変化させることで機能を発揮しています。タンパク質は通常、生理環境である水中で機能しており、水環境にあるタンパク質の表面には、水和水と呼ばれるタンパク質の表面に張り付いた通常の水とは異なる水が存在します(図1)。水和水は、タンパク質表面原子との間で様々な相互作用をしています。

タンパク質がその機能を発現するためには、「動力学転移5)」と呼ばれる240 K近傍以上の温度で活性化されるタンパク質の「構造の揺らぎ」が重要であると言われています。その揺らぎはタンパク質が水和することによって生じることが分かっていましたが、これまで水和状態と揺らぎの関係については良く分かっていませんでした。

図1 タンパク質と水の関係のイメージ。濃い青は溶媒(バルクの水)、薄い青が水和水。

【研究の内容】

今回、中川研究員らの研究グループは、モデルタンパク質である核酸分解酵素スタフィロコッカルヌクレアーゼ(SNase)を用いて、段階的に水和水の量を変化させた試料について中性子散乱実験を行うとともに、分子動力学法(MD)によるシミュレーション計算を行い、タンパク質の揺らぎが水和水の構造や揺らぎとどのように関係しているのかについて詳細な研究を行いました。中性子散乱実験は、茨城県東海村の原子力機構原子力科学研究所の研究用原子炉JRR-3に設置されている冷中性子三軸型分光器(LTAS:図2)を用いて実施されました。

図2 冷中性子三軸型分光器(LTAS)の外観。

図3は、中性子非干渉性散乱実験により得られた、タンパク質および水和水の動きの大きさ(平均自乗変位)の温度依存性を示したものです。水和水の分量(水和率)が小さいときには、タンパク質、水和水ともそれらの動きは温度上昇とともに直線的に微増するだけですが、水和率が大きな試料においては、240K以上の温度領域で、それらの動きが急激に大きくなります(動力学転移による構造揺らぎ)。詳細な実験の結果、このようなタンパク質の大きな構造揺らぎは水和率が0.37以上で起きることが明らかにされました。水和水がないと動力学転移は現れず、また水和水があっても水和水の揺らぎが大きくならないと動力学転移が起こらないことから、水和水の揺らぎがタンパク質の揺らぎを決定づけていると言えます。

図3 水和率の違いによるタンパク質および水和水の揺らぎの大きさの温度依存性の違い。

一方、タンパク質表面における水和水の存在形態の水和率依存性を計算機シミュレーションにより解析したものが図4です。水和率が小さい状態では、ほとんどの水分子はタンパク質表面で、他の水からは孤立した状態で配位しています。水和率を増やしていくと、0.37以上の水和率で水分子同士の水素結合が急激に増大し、タンパク質表面における水分子のネットワークサイズが急増する(パーコレーション転移)ことが分かりました。これにより、タンパク質はかご状に形成された水和水ネットワークによって取り囲まれるようになります。

以上の中性子散乱実験と計算機シミュレーションの解析から、動力学転移の出現に必要な水和率と水和水のネットワーク形成に必要な水和率がともに0.37であることが分かりました。更に両者の関係性をより明確にするために、水和水のネットワークサイズとタンパク質の動力学転移の水和率依存性を比較プロットしたところ、両者の水和率依存性の傾向が見事に一致することが分かりました(図5)。これらのことから水和水がタンパク質表面全体を覆うネットワークを形成し、その揺らぎがタンパク質の機能発現に関わる揺らぎを誘導すること、すなわち、この水和水のネットワーク形成こそが、タンパク質の働きに必要な水の本質的役割であることが示されました。

図4 計算機シミュレーションによるタンパク質表面の水和構造の水和率依存性。

図5 最大水和水ネットワークサイズ(青)タンパク質動力学転移(赤)の水和率依存性。

【成果の波及効果】

これまでもタンパク質表面の水和構造の研究がなされてきましたが、本研究においては、中性子を用いて、タンパク質と水和水の動きを分離して定量的に観測することにより、タンパク質の機能発現における水和水の本質的役割を明らかにしたものです。本成果によって得られたタンパク質と水との界面での相互作用についての情報は、水も含めた酵素活性機構の解明や、水和水や揺らぎに着目したこれまでにない創薬設計の手法の高度化に貢献できるほか、食品の腐食防止などへの応用も期待されます。


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