100μMの高濃度条件でタンパク質フォールディングを促進する低分子化合物の開発に成功 ―「寛容的」な基質認識が可能にする、タンパク質製剤の 合成効率向上と認知症などの変性疾患治療への技術基盤― 2024年7月30日 10:00 | プレスリリース・研究成果

https://www.tohoku.ac.jp/japanese/2024/07/press20240730-01-protein.html

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【本学研究者情報】

〇学際科学フロンティア研究所
准教授　奥村正樹
研究室ウェブサイト

【発表のポイント】

• ポリペプチド鎖の折りたたみ（フォールディング）は、タンパク質が機能を獲得する上で必要不可欠なプロセスです。疎水性効果やジスルフィド（SS）結合注1)の形成によって一本のポリペプチド鎖が折りたたまれると、正常な構造（天然構造）を形成します。一方、高濃度な条件では、疎水性効果やSS結合が分子間で形成されることで複数のポリペプチド鎖が不可逆的に凝集し、フォールディング効率が大幅に低下する問題があります。本研究では、SS結合形成を伴う酸化的タンパク質フォールディングを、初めて、サブmM（100μM）の高濃度条件で効率的に進める人工分子βCDWSHの開発に成功しました。

• 通常の分子認識材料の開発では、特定の基質分子を識別する選択的認識が重視されます。本研究では、タンパク質の凝集を抑制し、高濃度でのフォールディングを促進する上で、選択的認識とは対照的に、従来注目されてこなかった「寛容的」な認識機構が重要であることを、初めて突き止めました。

• フォールディングの異常によって生じる構造異常タンパク質は、アルツハイマー病などの認知症、筋萎縮性側索硬化症（ALS）、沖縄型神経原性筋萎縮症注2)、2型糖尿病などの、いずれも根本的な治療法が確立されていないミスフォールディング病の原因と考えられています。生体内のタンパク質濃度は非常に高いため、高濃度環境で構造異常タンパク質の形成を抑制し、天然構造タンパク質の合成を促進する本化合物は、ミスフォールディング病の根本的な治療へ結びつく技術基盤を創出します。
  
  
• 抗がん剤などとして利用される抗体医薬注3)や、糖尿病治療薬であるインスリンなどの医薬品タンパク質は、その合成効率が低いことが課題となっています。高い濃度でフォールディングを促進する本化合物によって、タンパク質製剤の合成効率向上につながると期待されます。

【概要】

東京農工大学大学院工学研究院の村岡貴博教授、同大学院工学府の鈴木洸希大学院生、野尻涼矢大学院生（研究実施当時）、徳島大学先端酵素学研究所の齋尾智英教授、松﨑元紀助教、東北大学流体科学研究所の馬渕拓哉准教授、東北大学学際科学フロンティア研究所の奥村正樹准教授、金村進吾助教、石井琴音大学院生、北海道大学大学院先端生命科学研究院附属施設の久米田博之学術専門職の研究グループは、ジスルフィド（SS）結合の形成を伴う酸化的タンパク質フォールディングを、初めて、サブmM（100μM）の高濃度条件で効率的に進める人工分子βCDWSHの開発に成功しました。また、その鍵となる特徴は、従来の超分子化学では注目されてこなかった「寛容的」な分子認識機構であることを突き止めました。

アミノ酸が連結した高分子であるタンパク質は、天然構造と呼ばれる特定の三次元構造を形成することで機能を発現します。変性状態と呼ばれる伸びた高分子鎖が天然構造を形成する過程をタンパク質フォールディングと呼び、分子鎖内での疎水性効果やSS結合形成によって進行します。天然構造とは異なる三次元構造を持つ構造異常タンパク質は、分子間で疎水性効果やSS結合を形成し、凝集する特性があります。そこで、通常の人工系でのフォールディング反応は、タンパク質濃度が数μMと希薄な条件で行うことで凝集を防ぎながら行われます。希薄条件のため収量を上げることが困難であり、合成反応としての効率が低いことが課題でした。

また、生体内での構造異常タンパク質の凝集は、認知症などの神経変性疾患注4）や2型糖尿病などのミスフォールディング病注5)の原因と考えられています。生体内のタンパク質濃度は非常に高いため、生体内環境で構造異常タンパク質の凝集を抑制し、正常な天然構造へ再生するためには、高濃度条件でタンパク質フォールディングを促進する分子材料の開発が重要となります。

本研究では、SS結合形成を伴う酸化的タンパク質フォールディングを、サブmM（100μM）の高濃度条件で促進する初めての人工分子の開発に成功しました。反応濃度の大幅な向上を可能にする本研究成果は、インスリンや抗体医薬など、医薬品タンパク質の合成効率向上や、ミスフォールディング病の予防や治療技術の創出につながる重要な基盤と位置付けられます。

図1　a) 「寛容的」な基質認識とタンパク質フォールディングのコンセプト図、b) 本研究で開発した人工フォールディング促進酵素βCDWSH、およびその比較分子βCDNSHの分子構造 a) βCDWSHでは、お椀の広い口にチオール基を導入することで、変性BPTIのポリペプチド鎖全体と弱く相互作用するが、狭い口にチオール基を導入したβCDNSHはBPTI中のチロシン残基近傍に特に選択的に相互作用した。

【用語解説】

注1) ジスルフィド結合
タンパク質を構成するアミノ酸のひとつ、システインは、側鎖にチオール基（SH基）を持つ。2つのSH基が酸化されて形成される2つの硫黄原子の間の結合。

注2) 沖縄型神経原性筋萎縮症
沖縄地方に多発する感覚障害をともなう遺伝性神経原性筋萎縮症。

注3）抗体医薬
抗体を利用した医薬品。抗体は、がん細胞などの細胞表面にある抗原を特異的に認識し、治療する。抗原を持たない他の細胞は攻撃しないため、副作用が少ないと考えられている。

注4）神経変性疾患
特定の神経細胞群が障害を受け発症する神経疾患の一つ。構造異常タンパク質の蓄積や沈着が神経細胞群の障害を引き起こす主要因の一つと考えられている。

注5) ミスフォールディング病
タンパク質フォールディングの結果、タンパク質が天然構造とは異なる異常構造を形成する場合がある。タンパク質の異常構造体が沈着することで引き起こされる様々な疾患の総称。

詳細（プレスリリース本文）

問い合わせ先

（研究に関すること）
東北大学 学際科学フロンティア研究所
准教授 奥村 正樹 (おくむら まさき)
TEL: 022-795-5764
Email: okmasaki*tohoku.ac.jp
（*を@に置き換えてください）

（報道に関すること）
東北大学 学際科学フロンティア研究所 企画部
特任准教授 藤原 英明 （ふじわら ひであき）
Email: hideaki*fris.tohoku.ac.jp
（*を@に置き換えてください）