2019 Fiscal Year Annual Research Report
Structural and Functional Study of Binary Toxin Translocon by Cryo-EM and X-ray Crystallography
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18K06170
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| Research Institution | Kyoto Sangyo University |
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Principal Investigator |
津下 英明 京都産業大学, 生命科学部, 教授 (40299342)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
吉田 徹 京都産業大学, 総合生命科学部, 研究員 (30724546)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | ウェルシュ菌 / イオタ毒素 / 二成分毒素 / タンパク質膜透過 / 膜結合 / アンフォールド / ADPリボシル化 / クライオ電子顕微鏡 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ウェルシュ菌の産生するイオタ毒素は標的細胞の細胞骨格を形成するアクチンをADPリボシル化することで細胞の障害を起こす。イオタは二成分毒素でありADPリボシル化する酵素成分のIaと、Iaを膜を介して細胞内に透過させるIbからなる。Ibは標的細胞膜上で中央に孔を持つ可溶性オリゴマー(プレ膜孔)を形成しIaがこれに結合する。この複合体はエンドソームに取り込まれ、pHの低下によってIbオリゴマーは膜貫通型のβバレルを持つ膜孔に構造変化し（Ib膜孔）、Iaがこの膜孔を通過すると考えられている。
一方、炭疽菌は似た二成分毒素を持ち、特にIbに似たタンパク質透過装置であるPAと、Iaとは異なる機能と構造の酵素成分LF/EFからなる。2015年には単粒子解析によってPA膜孔の構造が解かれたが、酵素成分が通過すると考えられる中央の膜孔に直径6オングストロームしかない部分(φクランプ)があることが明らかにされた。この直径はタンパク質の二次構造よりも小さいことから、これまで透過の詳細なメカニズムが明らかにされていなかった。
興味深いのは、２つの二成分毒素は、似た構造の膜結合成分を用いて、構造も機能も異なる酵素成分を膜透過させることである。我々はクライオ電子顕微鏡を用いた単粒子構造解析によってIb膜孔とイオタ複合体（Iaが結合したIb膜孔）の高分解能における構造解析に成功した。さらにイオタ複合体は膜貫通するステムが短いものと長いものでそれぞれ2.8および2.9オングストロームの2つの状態での解析を行い、いかに膜結合のためのステムが形成されるかを明らかにした。これらの構造から、特異的なIaのIb膜孔への結合とこの結合によってIaN末端がほどかれる様子を明らかにした。高分解能の複合体解析により、IaのN末端がほどけ、Iaが狭いφクランプ（Ib膜孔）を透過する直前の様子を明らかにした。
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| Remarks |
京都産業大学、大阪大学、筑波大学共同でプレス発表を行う。１，２、３
Nature Microbiolgy のcommunity blogへの招待をされ、記事を書いた。４
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