理化学研究所、１つの受容体がさまざまな刺激に応答できる仕組みの一端を解明

１つの受容体がさまざまな刺激に応答できる仕組みの一端を解明
―感覚受容の重要な役者TRPチャネルの理解を進める一歩に―


＜ポイント＞
　・今まで知られていなかったTRPチャネルの機能制御領域の立体構造を解明
　・機能制御領域のタンパク質が束になったり離れたりして複数の刺激に柔軟に応答
　・重要な創薬の対象であるTRPチャネルの分子機能理解に貢献


＜要旨＞
　理化学研究所（野依良治理事長）は、生体膜に存在する受容体の１つ「TRPチャネル［１］」が、たった１種類でさまざまな刺激に柔軟に応答できる仕組みの一端を解明しました。これは、理研放射光科学総合研究センター（石川哲也センター長）分子シグナリング研究チームの山下敦子チームリーダー（現　岡山大学大学院医歯薬学総合研究科教授）、伊原誠研究員（現　近畿大学農学部講師）と、東北大学大学院工学研究科の魚住信之教授、浜本晋助教、名古屋大学構造生物学センターの甲斐荘正恒教授、宮ノ入洋平特任助教、武田光広特任助教、東京電機大学の矢部勇研究員らの共同研究グループによる成果です。

　細胞やその細胞内にある細胞小器官の膜（生体膜）には、外界からの刺激を受け取り、それを情報に変換する膜貫通タンパク質のイオンチャネル型受容体［２］があります。この受容体は刺激を受けると、カルシウムイオンなどのイオンを透過させることで情報伝達を担うことが知られており、中でもTRPチャネルは複数の刺激に応答することが知られています。例えば、TRPチャネルの１種であるカプサイシン受容体「TRPV１」は、唐辛子の辛味成分である化学物質カプサイシンに応答する一方で、４２℃を超える高温にも応答します。唐辛子を食べると熱く痛いような感覚がするのはこのためです。ヒトは２７種類のTRPチャネルを持っており、これらはよく似た構造と機能を持つイオンの透過領域と、各種類に応じて多様な形や機能を持つ細胞内領域からなることは推測されていますが、なぜ１つの受容体が複数の刺激に応答できるのか、その詳細な仕組みは分かっていませんでした。

　共同研究グループは、カビの１種からTRPチャネルの基本モデルともいえる受容体チャネル「TRPGz」を発見し、解析に利用しました。理研が所有する大型放射光施設SPring−８［３］を用いたX線結晶構造解析やNMR（核磁気共鳴）［４］でこの受容体の機能制御領域を調べた結果、ある４本の基本構造が１つに束ねられて生体膜外の浸透圧変化に応答する一方、容易にばらばらになることで他の刺激に反応できることが明らかとなりました。今回の成果は、TRPチャネルが関わる多くの生命反応への理解を進めるとともに、鎮痛薬などの創薬の標的として研究が進んでいるTRPチャネルの分子機能の理解を深める重要な情報となります。

　本研究は、日本学術振興会「最先端・次世代研究開発支援プログラム」および文部科学省「ターゲットタンパク研究プログラム」の助成を受けて行われたもので、米国の科学雑誌『Journal　of　Biological　Chemistry』（６月１４日号）に掲載されるに先立ち、オンライン版に近日中に公開されます。


＜背景＞
　細胞やその細胞内にある細胞小器官の膜（生体膜）には、外界からの刺激を受け取り、それを情報に変換する受容体と呼ばれるタンパク質があります。ある刺激を受容体が受け取ると、それをきっかけに細胞同士や細胞内外の情報伝達が行われ、特定の生理現象を発生させるなど、生体の生命活動の維持に重要な役割を持っています。受容体の１つに生体膜に存在する膜貫通タンパク質のイオンチャネル型受容体があり、チャネルの開閉によってカルシウムイオンなどのイオンを透過させることで情報伝達を担います。イオンチャネル型受容体の一種であるTRP（Transient　receptor　potential）チャネルは、温度や化学物質、浸透圧などのさまざまな刺激に応答することが知られています。

　ヒトは２７種類のTRPチャネルを持っており、これらは、よく似た構造と機能を持つイオンの透過領域と、各種類に応じて多様な構造や機能を持つ細胞内領域からなると推測されており、外部からの刺激を感知するセンサータンパク質としての機能や、味覚をはじめとする感覚受容のシグナル伝達など、生命活動のなかでも重要な機能に関わっています。また、TRPチャネルの一部が痛みの受容にも関わることから、TRPチャネルを標的とした鎮痛薬開発も進められているところです。

　一方で、TRPチャネルには不明な点も多く、例えばTRPチャネルの１つであるカプサイシン受容体TRPV１は、化学物質による刺激や温度・浸透圧の刺激に応答するなど、TRPチャネルは一般的に複数の異なる刺激に応答する機能を持っていますが、そのメカニズムは分かっていません。過去の研究により、電子顕微鏡を使った低い分解能でのTRPチャネル全体像は解析されていますが、全体の高い分解能での立体構造が解明されていないだけでなく、チャネルの開閉制御に関わる領域の立体構造もごくわずかな例しか報告されていません。そこで、共同研究グループは、TRPチャネルの特徴的な機能を生み出す立体構造の詳細な解明に挑みました。


＜研究手法と成果＞
　共同研究グループは、酵母や真菌類が比較的単純な構造のTRPチャネルを持つことに着目しました。さまざまな酵母・真菌類のTRPチャネルを調べた結果、小麦などに赤カビ病を引き起こす植物病原菌から、新たなTRPチャネル「TRPGz」を発見しました（図１）。TRPGzを出芽酵母で発現させて機能解析を行った結果、TRPGzが生体膜外の浸透圧上昇・温度上昇・高酸化状態や、細胞内カルシウムイオン濃度上昇、膜電位変化など多様な刺激に応答してチャネルを開く、つまりTRPチャネルの基本モデルともいえる機能を有していることが分かりました。さらに、TRPGzの生体膜内側に機能制御領域が存在し、浸透圧や温度上昇の刺激に応答してチャネルを開く「浸透圧・温度上昇応答モジュール」としてはたらく領域が存在することを見つけました。また、浸透圧や温度上昇などの刺激によって生体膜に一定量増加するPIPx（ホスファチジルイノシトールリン酸）に結合することでチャネルを閉じる「PIPx結合応答抑制モジュール」の存在も確認できました（図２）。

　さらに、これらのモジュールを含む機能制御領域について、SPring−８のビームラインBL４１XUおよびBL２６B２を用いたX線結晶構造解析や、NMR（核磁気共鳴）スペクトル測定を行ったところ、「浸透圧・温度上昇応答モジュール」は４本のαへリックス構造［５］から構成されていて「弱い」相互作用で１つに束ねられた「ヘリックスバンドル」構造をとっていることが明らかになりました（図２）。これまでこのモジュールの構造はアミノ酸配列から「コイルドコイル」と呼ばれる常に「強い」相互作用で束ねられている状態であると推測されていましたが、今回の解析により、常に１つに束ねられているわけではなく、必要に応じて容易にばらばらになる性質を持つことが分かりました。そして、このモジュールが束ねられているときにだけ、TRPGz浸透圧や温度上昇に対して応答し、チャネルを開くことも分かりました。

　また、機能制御領域のうち浸透圧・温度上昇制御モジュール以外の部分は、タンパク質が特定の立体構造をとらず、ひものようにぶらぶらとした柔軟な構造をしていることも判明しました。こうしたダイナミックな構造的特徴が、「PIPx結合応答抑制モジュール」などの制御モジュールが柔軟にさまざまな刺激と反応することを可能にしており、１つのチャネルが複数の刺激に応答できる仕組みの一端となっていることが示唆されました。（図３）


＜今後の期待＞
　外界からのさまざまな刺激を感知する感覚受容は、生体反応の中でも仕組みの解明が進んでいない領域の１つです。今回、味覚をはじめ多くの感覚受容で複数の刺激に応答し、ヒトにおいても重要な役割を果たしているTRPチャネルの機能の仕組みの一端を明らかにしたことは、外界からのさまざまな情報を認知する感覚受容への理解を促す一歩となります。また、TRPチャネルの機能不全でいくつかの腎疾患などが起こることが分かっており、TRPチャネルの分子機能を応用した鎮痛薬などの治療薬の開発も進められています。今回明らかになった構造的な性質も含め、今後TRPチャネルが機能する仕組みを詳しく明らかにしていくことで、これらの治療薬開発にも貢献すると期待できます。


＜原論文情報＞
　・Makoto　Ihara，Shin　Hamamoto，Yohei　Miyanoiri，Mitsuhiro　Takeda，Masatsune　Kainosho，Isamu　Yabe，Nobuyuki　Uozumi，and　Atsuko　Yamashita．“Molecular　bases　of　multimodal　regulation　of　a　fungal　transient　receptor　potential（TRP）　channel”．Journal　of　Biological　Chemistry，２０１３，doi：１０．１０７４／jbc．M１１２．４３４７９５


　※補足説明、図１〜図３は添付の関連資料を参照