( 図 )2 分 子 のカスガマイシンがリボソーム 上 の mrna 結 合 部 位 を 占 有 していたた め mrna の 結 合 に 加 えて 開 始 用 trna の 結 合 も 阻 害 していました

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1 60 秒 でわかるプレスリリース 2006 年 9 月 25 日 独 立 行 政 法 人 理 化 学 研 究 所 ドイツ マックスプランク 研 究 所 抗 生 物 質 カスガマイシンのタンパク 質 合 成 阻 害 機 構 を 解 明 - 超 分 子 複 合 体 リボソームを X 線 で 結 晶 構 造 解 析 年 代 英 国 の A.フレミングによるペニシリンの 発 見 は その 後 多 種 多 様 な 抗 生 物 質 の 発 見 へとつながりました その 結 果 これらの 抗 生 物 質 は 病 気 の 治 療 薬 や 抗 菌 剤 として 私 たちの 生 活 に 重 要 な 役 割 を 果 たしています カスガマイシンは 1960 年 代 に わが 国 の 梅 澤 濱 夫 博 士 らによって 奈 良 市 の 春 日 大 社 で 発 見 された 抗 生 物 質 の 一 種 で カビや 微 生 物 に 作 用 します 特 に イネのいもち 病 に 効 果 が 高 く 農 業 分 野 で 広 く 利 用 されています カスガマイシンは 生 物 のタンパク 質 合 成 装 置 リボソーム と タンパク 質 合 成 の 際 にはたらく 物 質 (trna)との 相 互 作 用 を 直 接 的 に 妨 げることで タンパク 質 合 成 を 阻 害 すると 考 えられていましたが その 詳 細 は 不 明 でした 理 研 ゲノム 科 学 総 合 研 究 センターのタンパク 質 構 造 機 能 研 究 グループは ドイツ のマックスプランク 研 究 所 と 共 同 で このメカニズム 解 明 に 挑 みました カスガマイ シンとリボソームが 結 合 した 複 合 体 の X 線 結 晶 構 造 解 析 などの 研 究 から カスガマイ シンは これまで 考 えられていた trna ではなく タンパク 質 合 成 の 際 にはたらく 他 の 物 質 (mrna)とリボソームの 相 互 作 用 を 妨 げていることなどを 発 見 しました そ の 結 果 タンパク 質 合 成 の 開 始 過 程 が 妨 げられ ひいてはカビや 微 生 物 のタンパク 質 合 成 が 阻 害 される 新 たなメカニズムを 解 明 しました この 知 見 は 抗 がん 剤 などの 医 療 用 抗 生 物 質 創 製 や 農 業 などの 産 業 応 用 に 結 びつくと 期 待 されます

2 ( 図 )2 分 子 のカスガマイシンがリボソーム 上 の mrna 結 合 部 位 を 占 有 していたた め mrna の 結 合 に 加 えて 開 始 用 trna の 結 合 も 阻 害 していました

3 報 道 発 表 資 料 2006 年 9 月 25 日 独 立 行 政 法 人 理 化 学 研 究 所 ドイツ マックスプランク 研 究 所 抗 生 物 質 カスガマイシンのタンパク 質 合 成 阻 害 機 構 を 解 明 - 超 分 子 複 合 体 の X 線 結 晶 構 造 解 析 - 本 研 究 成 果 のポイント タンパク 質 合 成 装 置 リボソーム と 抗 生 物 質 カスガマイシン の 複 合 体 の 立 体 構 造 を 決 定 タンパク 質 への 翻 訳 の 開 始 過 程 を 阻 害 する 新 たな 機 構 を 発 見 リボソームへの 新 たな 結 合 様 式 の 発 見 により 農 薬 医 薬 などへの 応 用 研 究 に 期 待 独 立 行 政 法 人 理 化 学 研 究 所 ( 野 依 良 治 理 事 長 )は ドイツのマックスプランク 研 究 所 (President Dr. Peter Gruss)との 共 同 研 究 で 農 業 分 野 で 広 く 使 われている 抗 生 物 質 1 カ スガマイシン と 原 核 生 物 2 リボソーム 3 の 構 成 成 分 である 30Sサブユニットとが 結 合 した 状 態 を 捉 えることに 成 功 し これまでの 予 想 とは 異 なるカスガマイシンの 結 合 様 式 を 解 明 し ました これは 理 研 ゲノム 科 学 総 合 研 究 センター( 榊 佳 之 センター 長 )タンパク 質 構 造 機 能 研 究 グループの 横 山 茂 之 プロジェクトディレクター 竹 本 千 重 上 級 研 究 員 上 西 達 也 リサ ーチアソシエイトとマックスプランク 研 究 所 のDr. Paola Fucini(パオラフッチーニ)のグル ープ(ベルリン)による 研 究 成 果 です カスガマイシンは 奈 良 市 の 春 日 大 社 で 発 見 単 離 された 放 線 菌 4 が 産 生 する 抗 生 物 質 で カビや 微 生 物 には 効 力 がありながら 動 植 物 や 人 体 には 毒 性 が 低 く 農 業 分 野 で 広 く 利 用 さ れています これまで カスガマイシンは タンパク 質 合 成 装 置 リボソーム でのタンパ ク 質 合 成 の 際 にはたらく 開 始 用 trnaの 結 合 位 置 に 作 用 し 遺 伝 子 からタンパク 質 への 翻 訳 の 開 始 過 程 を 阻 害 すると 考 えられていました 今 回 リボソーム 30Sサブユニットにカスガマイシンが 結 合 した 複 合 体 の 結 晶 構 造 を 高 分 解 能 5 で 決 定 したところ 従 来 予 想 されていた 結 合 様 式 とは 異 なっていることが 判 明 しまし た すなわち 2 分 子 のカスガマイシンが 30Sサブユニット 上 のmRNAが 結 合 する 部 位 を 占 有 しており 生 化 学 的 な 実 験 の 結 果 とあわせて カスガマイシンは trnaではなく mrna と 30Sサブユニットの 相 互 作 用 を 妨 げることにより 翻 訳 の 開 始 過 程 を 阻 害 することを 初 めて 明 らかにしました この 作 用 機 序 は これまで 明 らかにされてきた 抗 生 物 質 のリボソームでのはたらきとは 異 なる 新 規 なメカニズムであり 複 合 体 のX 線 結 晶 構 造 解 析 によって 初 めて 発 見 できたもので す この 立 体 構 造 解 析 に 基 づいた 新 規 薬 剤 開 発 が 進 むと 抗 がん 剤 などの 医 療 用 抗 生 物 質 創 製 や 農 業 などの 産 業 応 用 に 結 びつくことが 期 待 されます さらに さまざまな 生 物 のリボソ ームの 構 造 機 能 解 析 を 進 めることにより 生 物 種 を 問 わず 保 存 されている 部 位 に 結 合 するカ スガマイシンが 動 植 物 に 対 して 毒 性 が 低 く カビや 微 生 物 にのみ 有 効 である 理 由 を 解 明 で きる 可 能 性 が 示 唆 されました 本 研 究 成 果 は わが 国 で 推 進 している タンパク 3000 プロジェクト の 一 環 として 行 わ れたものです 本 研 究 成 果 の 詳 細 は 米 国 の 学 術 雑 誌 Nature Structural & Molecular Biology 9 月 号 に 掲 載 されます

4 1. 背 景 カスガマイシン( 図 1)は 1960 年 代 に 梅 澤 濱 夫 博 士 らにより 奈 良 市 の 春 日 大 社 で 発 見 単 離 された 放 線 菌 が 産 生 する 抗 生 物 質 で カビや 微 生 物 には 効 力 がありな がら 動 植 物 や 人 体 には 毒 性 が 低 く 特 にイネのいもち 病 に 効 果 があり 40 年 前 に 農 薬 登 録 されて 以 来 農 業 分 野 で 広 く 利 用 されています また 発 見 直 後 から タ ンパク 質 合 成 系 に 作 用 していることが 調 べられていました 細 胞 内 の 生 命 現 象 は 遺 伝 情 報 を 元 に 作 られるタンパク 質 によって 行 われていま す そして 驚 くべきことに あらゆる 生 物 が 共 通 のタンパク 質 合 成 装 置 を 持 ってい ます それが リボソームです DNA に 格 納 されている 遺 伝 情 報 は まずメッセ ンジャーRNA(mRNA)に 転 写 されます リボソームでは この mrna 上 の 遺 伝 情 報 を 解 読 し トランスファーRNA(tRNA)を 用 いてアミノ 酸 に 置 換 連 結 する ことでタンパク 質 を 合 成 します これを 翻 訳 と 呼 びます( 図 2) リボソームは 約 50 種 類 以 上 のタンパク 質 と 4500 残 基 にも 及 ぶ RNA が 複 雑 に 組 み 合 わさってできている 超 分 子 複 合 体 で サブユニットと 呼 ばれる 大 小 2 つの 大 き な 塊 に 分 けることができます その 存 在 は 約 50 年 前 から 電 子 顕 微 鏡 下 で 確 認 さ れていましたが 当 時 の 技 術 では 分 子 レベルで 構 造 を 可 視 化 するのは 非 常 に 困 難 で した 1980 年 代 以 降 に 電 子 顕 微 鏡 を 中 心 として サブユニット 毎 の あるいは 全 体 の 構 造 が 報 告 され 始 め 21 世 紀 を 迎 え 複 数 のグループが 結 晶 構 造 解 析 に 成 功 するに 至 りました しかし リボソーム 上 で どのように 正 確 かつ 効 率 良 くタンパ ク 質 合 成 反 応 が 進 むのか その 全 容 を 解 明 するには 至 っていません リボソームを 構 成 する 大 小 2 つのサブユニットのうち 小 (30S)サブユニット は 1500 残 基 以 上 の RNA 分 子 と 約 20 種 類 以 上 のタンパク 質 から 構 成 されており 翻 訳 が 始 まる 際 には mrna と 開 始 用 の 特 別 な trna が この 30S サブユニ ット 上 で 正 しく 結 合 する 必 要 があります( 図 3A) これまで カスガマイシンは 開 始 用 trna が 30S サブユニットへ 結 合 することを 妨 げることによって 翻 訳 の 開 始 を 阻 害 すると 考 えられていました( 図 3B) 抗 生 物 質 は リボソームの 大 事 な 機 能 を 働 かなくすることで 効 果 を 発 揮 します すなわち 抗 生 物 質 が リボソー ム 上 で 行 われる 翻 訳 (タンパク 質 合 成 )のどの 段 階 に どの 分 子 ( 場 所 )に 作 用 す るのかという 詳 細 な 作 用 機 序 を 調 べることは 未 だに 明 らかにされていないリボ ソーム 全 体 の 詳 細 なメカニズムを 明 らかにすることに 他 なりません 2. 研 究 手 法 と 成 果 研 究 グループは カスガマイシンがリボソームの 30S サブユニットに 作 用 してい る 瞬 間 を 捉 えるために X 線 結 晶 構 造 解 析 の 手 法 を 用 いて カスガマイシンとリボ ソーム 30S サブユニットの 複 合 体 の 立 体 構 造 を 決 定 しました 具 体 的 には 高 度 好 熱 菌 Thermus thermophilus HB8(サーマス サーモフィラス エイチビーエイト) のリボソーム 30S サブユニットを 精 製 して カスガマイシンとの 複 合 体 を 結 晶 化 し ました 得 られた 結 晶 を 用 いて 3.3A (オングストローム)の 分 解 能 で 立 体 構 造 を 決 定 しました( 図 4) リボソーム 30S サブユニットにカスガマイシンが 結 合 した 高 分 解 能 の 結 晶 構 造 により 従 来 予 想 されていた 結 合 様 式 とは 異 なっていることが 判 明 しました すな わち 2 分 子 のカスガマイシンが 30S サブユニット 上 の mrna が 結 合 する 部 位 を

5 占 有 して mrna が 30S サブユニットに 結 合 することを 妨 げていました( 図 5) さらに 同 研 究 グループは 生 化 学 的 な 実 験 も 行 いました 翻 訳 (タンパク 質 合 成 ) では まず(1)30S サブユニットと mrna が 結 合 し その mrna の 開 始 コドン の 位 置 に (2) 開 始 用 trna が 結 合 することで 反 応 が 始 まります そこで カス ガマイシンが mrna と trna の 30S サブユニットへの 結 合 を(1)と(2)のど ちらの 段 階 で 作 用 するのかを 検 討 しました その 結 果 これまで 予 測 されていた(2) の 前 に 起 こっている(1)の 反 応 を 阻 害 していることが 判 明 しました つまり カ スガマイシンは trna ではなく mrna と 30S サブユニットの 相 互 作 用 を 妨 げ ているのであり これまで 観 察 されてきた trna と 30S サブユニットの 結 合 の 阻 害 は その 間 接 的 な 効 果 であったわけです( 図 3C) このような 翻 訳 の 開 始 過 程 の 阻 害 機 構 は これまで 報 告 されていない 新 規 のメカニズムです 3. 今 後 の 展 開 X 線 結 晶 構 造 解 析 と 生 化 学 的 解 析 によって 生 物 の 生 存 に 必 須 なリボソームにお ける 新 規 の 阻 害 機 構 を 詳 細 に 解 明 したことは 薬 剤 設 計 に 新 たなアプローチを 提 案 したことにもなります 具 体 的 には SBDD(Structure Based Drug Design) の 手 法 を 用 いて mrna の 結 合 を 阻 害 する 化 合 物 を 探 索 することにより カビや 病 原 菌 の 細 胞 増 殖 に 対 する 新 たな 阻 害 剤 の 開 発 や 農 業 などの 産 業 応 用 が 期 待 されま す また リボソームは 細 胞 内 のすべてのタンパク 質 を 合 成 しているため その 機 能 停 止 や 低 下 を 引 き 起 こす 抗 生 物 質 は 細 胞 増 殖 を 抑 制 するがん 治 療 薬 としての 可 能 性 もあります 一 方 で 本 研 究 成 果 を 出 発 点 として さまざまな 生 物 のリボソームの 構 造 機 能 解 析 を 進 めることによって 生 物 種 を 問 わず 保 存 されている 部 位 に 結 合 するカスガマ イシンが 動 植 物 に 対 して 毒 性 が 低 く カビや 微 生 物 にのみ 有 効 である 理 由 を 解 明 できる 可 能 性 があります それは 生 命 現 象 において リボソームによるタンパク 質 合 成 反 応 の 果 たす 役 割 を 理 解 することに 繋 がると 考 えられ さらに 精 緻 な 薬 剤 の デザインなど 産 業 応 用 においても 極 めて 有 用 な 知 見 をもたらすことが 期 待 されま す < 報 道 担 当 問 い 合 わせ 先 > ( 問 い 合 わせ 先 ) 独 立 行 政 法 人 理 化 学 研 究 所 横 浜 研 究 所 ゲノム 科 学 総 合 研 究 センター タンパク 質 構 造 機 能 研 究 グループ プロジェクトディレクター 横 山 茂 之 Tel : / Fax : タンパク 質 構 造 機 能 研 究 グループ 上 級 研 究 員 竹 本 千 重 Tel : / Fax :

6 横 浜 研 究 所 研 究 推 進 部 溝 部 鈴 Tel : / Fax : ( 報 道 担 当 ) 独 立 行 政 法 人 理 化 学 研 究 所 広 報 室 報 道 担 当 Tel : / Fax : Mail : koho@riken.jp < 補 足 説 明 > 1 抗 生 物 質 微 生 物 によって 作 られる 化 学 物 質 で 他 の 微 生 物 の 発 育 または 代 謝 を 阻 止 する 物 質 として 定 義 された 物 質 のこと 現 在 では 抗 生 物 質 の 探 索 研 究 が 進 んだ 結 果 抗 腫 瘍 性 物 質 等 も 含 め 微 生 物 の 産 生 物 に 由 来 した 微 生 物 その 他 の 生 活 細 胞 の 発 育 やその 他 の 機 能 を 阻 害 する 物 質 のことを 抗 生 物 質 という 2 原 核 生 物 生 物 の 分 類 のひとつであり 細 胞 に 核 を 持 たない 原 核 細 胞 からなる 生 物 を 指 す 3 リボソーム すべての 生 物 の 細 胞 内 に 存 在 するタンパク 質 合 成 を 担 う 超 分 子 複 合 体 で リボソー ムタンパク 質 とリボソーム RNA からなる 4 放 線 菌 グラム 陽 性 を 示 す 細 菌 の 中 で 細 胞 が 放 射 状 に 菌 糸 を 形 成 するもの 5 高 分 解 能 A (オングストローム: メートル(=0.1 ナノメートル))の 単 位 を 用 いて 表 し この 数 字 が 小 さいほど 分 解 能 が 高 く より 精 度 の 高 い 高 解 像 度 であることを 示 す

7 図 1 カスガマイシンの 化 学 構 造

8 図 2 DNA RNA タンパク 質 という 遺 伝 情 報 の 流 れ(セントラルドグマ)

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11 図 4 30S サブユニットに 結 合 した 2 分 子 のカスガマイシン

12 図 5 カスガマイシンは trna ではなく mrna の 結 合 を 阻 害 する 図 は mrna と trna が 結 合 するリボソーム 上 の 3 つの 部 位 (A P E)とカスガ マイシンの 結 合 部 位 を 重 ね 合 わせたモデル 図 P 部 位 は 開 始 用 trna が 結 合 する 位 置 である カスガマイシンは mrna の 位 置 に 重 なっていることが 分 かる