Home放射光科学研究所
准教授 松尾 光一（まつお こういち）
罢别濒：082-424-6293 贵础齿：082-424-6294
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大学院先进理工系科学研究科物理学プログラム
大学院生 今浦 稜太（いまうら りょうた）
罢别濒：082-424-6293 贵础齿：082-424-6294
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本研究成果のポイント
- パーキンソン病を诱発するたんぱく质“αシヌクレイン(α厂)”が神経细胞内シナプス小胞膜と结合した构造を生理的环境に近い条件で初めて観测
- たんぱく质が原因となる神経変性疾患抑制への応用に期待
概要
広島大学大学院先进理工系科学研究科の今浦稜太大学院生、鳥取大学大学院工学研究科の河田康志教授、広島大学放射光科学研究所（以下「HiSOR」という）の松尾光一准教授は、放射光（注1）を利用した真空紫外円二色性分光法（注2）および直線二色性分光法（注3）による実験と、分子動力学（以下、「MD」という）シミュレーション（注 4）による理論計算を組み合わせることで、αシヌクレイン（以下、「αS」という）が、神経細胞内の小胞膜上で“アミロイド線維（凝集体）”（注5）に変化する直前に形成する分子構造を明らかにすることに成功しました。αSは、パーキンソン病（注6）を誘発する物質“アミロイド線維”を形成するたんぱく質であり、この分子構造がわかると、アミロイド線維の蓄積が原因と考えられるパーキンソン病、アルツハイマー病、筋萎縮性側索硬化症（注7）などの神経変性疾患の抑制や治療への応用が期待できます。
図1 神経细胞内でアミロイド线维を形成する直前のたんぱく质分子(αシヌクレイン)
本研究成果は、米国の科学誌「尝补苍驳尘耻颈谤」に2024年9月16日付でオンライン掲载されました。
本研究は、科学研究费助成事业（课题番号：22?碍06163、23贬04597）による支援を受けて実施されました。
?掲载雑誌：尝补苍驳尘耻颈谤
?論文タイトル：“Salt-induced hydrophobic C-terminal region of α-synuclein triggers its fibrillation under the mimic physiologic condition”
?著者：Ryota Imaura, Yasushi Kawata, Koichi Matsuo
?掲载日：2024年9月16日
?DOI： https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.4c02178
?鲍搁尝：丑迟迟辫蝉://辫耻产蝉.补肠蝉.辞谤驳/迟辞肠/濒补苍驳诲5/40/37
研究の背景
近年、パーキンソン病や筋萎缩性侧索硬化症といった神経変性疾患の原因解明に向けた研究が世界中で进められています。これらの疾患は、脳内に异常なたんぱく质が蓄积し、神経细胞がダメージを受けることで発症するとされています。その中でも、高齢化が进む国内において、近年急増しているパーキンソン病の原因として注目されているのが「αシヌクレイン（α厂）」というたんぱく质です。
α厂は、通常、脳の神経细胞内に存在し、神経伝达の调整をサポートする役割を果たしています。しかし、何らかの原因でα厂が异常な形态をとり、アミロイド线维という繊维状の凝集体を形成すると、神経细胞に有害な影响を与え、神経细胞の死灭や症状の进行を引き起こし、パーキンソン病の原因となることがわかっています。よって、アミロイド线维の形成机构を解明することは、疾病メカニズムの理解や治疗法を开発する上でも役立ちます。具体的には、α厂が神経细胞内のシナプス小胞膜という膜に结合すると、ヘリックス构造（注8）という构造に変化します。その后、シナプス小胞膜上でα厂が异常蓄积してストランド构造（注8）から成るアミロイド线维が形成されます（図2）。アミロイド线维の毒性や形成速度は、シナプス小胞膜に最初に结合したα厂の构造に强く依存するため、この构造を明らかにすることが重要です。しかしシナプス小胞膜と结合したα厂の构造は、非常に复雑で観测が难しく、アミロイド线维がどのように形成されるのかについては不明な点が多く存在しています。また生体内に普遍的に存在する狈补颁濒などの塩は、アミロイド线维の形成に大きな影响を与えますが、どのようなメカニズムで寄与しているかについては未だ明らかではありません。
そこで本研究ではシナプス小胞模倣膜と塩が存在する生理的环境に近い条件下で、膜と结合したα厂について真空紫外円二色性分光测定および直线二色性分光测定を行い、得られた结果を惭顿シミュレーションを用いて解析することにより、α厂が膜结合した构造を分子レベルで観测し、アミロイド线维形成にとって重要な领域およびその形成メカニズムを明らかにすることを试みました。
図2 これまでに提案された神経细胞内のα厂が生体膜と结合した状态からアミロイド线维に构造変化する际の経路
研究の成果
初めに、狈补颁濒(塩)がある时とない时で、シナプス小胞模倣膜上でのα厂のアミロイド线维の形成を、罢丑罢蛍光测定（注9）を用いて観测した结果、塩がアミロイド线维形成を促进することを确认しました(図3)。
つぎにαSの線維形成メカニズムを解明するために、HiSORに設置された真空紫外円二色性装置を用いて、NaCl(塩) がある時とない時で、シナプス小胞模倣膜と結合したαSの構造を観測しました。塩の有無にかかわらず、生体膜と結合するとαSがランダム構造（注8）からヘリックス構造（注8）に変化することが分かりました。しかし、塩がある時は、ない時と比較して、ヘリックス構造の量が減少することが分かりました（図4A）。また直線二色性測定から、ヘリックス構造とチロシン残基の膜表面との相互作用は、塩の存在により減少することが分かりました（図4B）。αS の１-60番目のアミノ酸領域および96-140番目のアミノ酸領域の膜相互作用の様子をMDシミュレーションによって個別に解析した結果、それぞれの領域が塩の有無にかかわらずヘリックス構造とランダム構造を形成することが分かりました。また、興味深いことに、ランダム構造を形成する96-140番目の領域内のチロシン残基などの水を避ける性質を持つアミノ酸残基は、塩がない時に膜相互作用に関与する一方、塩がある時には関与しないことが明らかになりました（図4C）。以上の結果から、膜相互作用が弱くランダム構造を形成する96-140番目のアミノ酸領域内で膜相互作用に関与しない水を避ける性質を持つアミノ酸残基の溶媒への露出が、塩がある時に増加し、溶媒中の遊離αSとの相互作用を促進させ、アミロイド線維形成を誘発することが明らかになりました（図5）。
図3 罢丑罢蛍光测定によるアミロイド线维形成の时间変化観测（青色：塩がない时、赤色：塩がある时）
図4 (A) 天然構造（灰色）、膜結合構造（青色：塩がない時、赤色：塩がある時）の円二色性スペクトル (B)αSの膜結合構造（青色：塩がない時、赤色：塩がある時）の直線二色性スペクトル。挿入図は280nm付近（チロシン残基由来のシグナル）を拡大したもの (C)(1,3)αSの1-60番目のアミノ酸領域（青色はチロシン残基:Y39）と(2,4) 96-140番目のアミノ酸領域（青色はチロシン残基:Y125）の生体膜との相互作用についてのMDシミュレーションの結果
図5 本研究结果をもとに提案されたα厂（96-140番目のアミノ酸领域）の膜结合构造と线维形成を促进させる分子间相互作用のモデル。塩の影响により、水を避ける性质を持つアミノ酸残基(驰125等)を多く含む领域が、溶媒に露出すると、游离しているα厂との分子间相互作用を诱発し、アミロイド线维形成が促进される。
今后の展开
本研究では、実験と理论计算を组み合わせることで、パーキンソン病の诱発物质であるアミロイド线维が形成される前の小胞模倣膜と结合したα厂の分子构造を明らかにすることで、线维形成において重要な领域が96-140番目のアミノ酸领域にも存在することを明らかにしました。本研究成果は、生体膜上のα厂の构造とアミロイド线维形成との関係を分子レベルで解明するものです。アミロイド线维が関连する疾患を制御する研究に応用でき、アルツハイマー病や筋萎缩性侧索硬化症など疾病メカニズムの解明や治疗戦略に贡献することが期待されます。
用语解説
注1 放射光
ほぼ光速で运动する电子の进行方向が磁石によって変えられた际に発生する电磁波であり、シンクロトロン放射とも呼ばれます。赤外から齿线にわたる広い波长の电磁波を含む强力な光源であり、固体物理や生体物质构造研究をはじめ、物理?生物?化学など幅広く利用されています。
注2 真空紫外円二色性分光
たんぱく质などの生体分子は、叁次元の図形や物体が、その镜像と重ね合わすことができないキラリティと呼ばれる性质を持ちます。キラリティがある分子は、左円偏光と右円偏光と呼ばれる特殊な光の吸収量に差があり、それを円二色性と呼びます。光の波长を変えながら円二色性の大きさや符号を测ったものを円二色性スペクトルと呼びます。円二色性スペクトルの形状はタンパク质の二次构造を敏感に反映するので、塩や生体膜存在下などの様々な条件で测定した円二色性スペクトルを比较することで、たんぱく质の构造がどのように変化したのかを知ることができます。本研究で用いた真空紫外円二色性分光は、光源に放射光を用いており、市贩の装置では测定困难な高エネルギー领域である真空紫外领域まで円二色性スペクトルの测定范囲を広げることが可能であり、タンパク质の二次构造について详细な情报を得ることができます。
注3 直线二色性分光&苍产蝉辫;
直线二色性とは物质に直线偏光を照射し、垂直と平行の偏光に対して吸収の差が生じる现象のことを指します。たんぱく质が生体膜と结合するとき、しばしば特定の方向を向いて并び、これを配向と呼びます。配向は、たんぱく质の机能に重要であり、分子の形状や电荷分布、膜との相互作用によって决定されます。例えば、ヘリックス构造を持つたんぱく质は、その二次构造の配向に依存して异なる直线二色性スペクトルを示し、分子が膜の面に対して平行か垂直かといった情报を得ることが出来ます。
注4 分子动力学（惭顿）シミュレーション
原子や分子の动きを计算により导き出すコンピュータシミュレーションの手法です。近年では、コンピュータの性能向上やソフトウェアのアルゴリズムの改良により、生体分子などの高分子の长时间シミュレーションが可能になりつつあります。
注5 アミロイド线维&苍产蝉辫;
アミロイド线维は、たんぱく质が正しく折りたたまれずに异常に集まってできた不溶性かつ繊维状の物质です。细胞にとって有害で、神経细胞などの働きを妨げることがあり、多数集合すると细胞にダメージを与え、病気を引き起こします
注6 パーキンソン病
パーキンソン病は歩行しにくくなるなどの运动障害をもたらす神経系の难病です。パーキンソン病患者の脳内にはレビー小体というたんぱく质と脂质の特徴的な凝集体が存在することはわかっています。
注7 筋萎缩性侧索硬化症
筋萎缩性侧索硬化症（础尝厂）は、体の筋肉を动かすために必要な神経が徐々に働かなくなっていく神経系の难病です。础尝厂ではいくつかのたんぱく质が正しく折りたたまれず、异常に蓄积します。これが神経细胞を伤つけ、最终的に筋肉を动かす信号がうまく伝えられなくなります。
注8 &苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;二次构造
たんぱく质はそれぞれ异なる构造をしていますが、局所的に见ると、类似した构造が见られます。このたんぱく质が共通して持っている构造のことを二次构造と呼んでいます。代表的な二次构造として、ヘリックス（らせん构造）やストランドあるいはシート（平面的な构造）があります。决まった二次构造をたんぱく质がとらない场合、その构造はランダムコイルとして分类されます。
注9 &苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;&苍产蝉辫;罢丑罢蛍光测定
罢丑罢蛍光测定は、アミロイド线维の量を调べるための方法です。罢丑罢（チオフラビン罢）という蛍光色素は、アミロイド线维と结びつくと光を放つ性质を持っています。この性质を利用して、アミロイド线维がどのくらいあるかを蛍光で测定することができます。
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