理研など、バクテリアにおける「セレノシステイン」の合成の仕組みを解明
成果は、理研 生命分子システム基盤研究領域の横山茂之領域長(現・横山構造生物学研究室 上席研究員)、東大 分子細胞生物学研究所の伊藤弓弦助教らの研究チームによるもの。
原子番号34のセレン(Se)は、周期表の酸素(原子番号8)と硫黄(原子番号16)の下に位置し、硫黄と似た性質を持つが、より反応性に富んでいるという特徴を持つ。
そのため、ヒトからバクテリアに至る幅広い生物にとって微量成分として不可欠であり、Seが欠乏すると、がんや高血圧症を引き起こしてしまう。
生体内では主にアミノ酸のセレノシステインに存在し、一部のタンパク質(Se含有タンパク質)に取り込まれる。
Se含有タンパク質はSeの高い反応性を利用して、抗酸化作用など重要な機能を発揮する仕組みだ。
セレノシステインは、タンパク質を構成する標準的な20種類のアミノ酸に加え、新たな21番目のアミノ酸として知られている(画像1)。
標準的なアミノ酸と同様に、遺伝暗号に従ってタンパク質に取り込まれていく仕組みだ。
その際、アミノ酸をタンパク質合成の場である細胞内小器官の「リボソーム」に運搬するには、それぞれ専用の運搬役のtRNA(transfer RNA:転移RNA)が必要で、セレノシステインには専用のtRNASecが存在する。
通常のtRNAは、それぞれに対応するアミノ酸が結合するが、tRNASecは、まず1度別のアミノ酸である「セリン(Ser)」(画像1)が結合する(Ser-tRNASec)。
その後、セリンがセレノシステインへ変換され、Sec-tRNASecが合成されて、リボソームに運搬されることでタンパク質に取り込まれるという流れだ(画像2)。
この変換メカニズムは、ヒトを含めた真核生物とアーキア(古細菌)のグループ(真核生物/アーキア型(ヒト型))とバクテリアのグループ(バクテリア型)ではまったく異なるのは、画像2の通りである。
ヒト型では、2つの酵素「PSTK」と「SepSecS」によって、2段階でセリンからセレノシステインへと変換される仕組みだ。
詳しくは、PSTKがSer-tRNASecを識別し、セリンにリン酸基(P)を転移して目印とし、次にSepSecSが目印のあるセリンだけをセレノシステインに変換するという流れだ(画像2・上)。
一方、バクテリアでは1つの酵素「SelA」によって、1段階でセリンをセレノシステインに変換する(画像2・中)。
2010年に研究チームの成果などにより、ヒト型のメカニズムの全容が明らかになったが、バクテリア型のメカニズムの研究は巨大タンパク質であるSelAの結晶構造解析が技術的に困難であったため大きく遅れており、その解明が求められていたというわけだ。
そこで研究チームは、バクテリアの1種である「A.aeolicus(A.アエオリカス)」由来のSelA単体、およびSelAとtRNASecの複合体の結晶を作製し、理研が所有する大型放射光施設「SPring-8」のビームライン「BL41XU」と、高エネルギー加速器研究機構(KEK)の放射光科学研究施設「フォトンファクトリー」のビームライン「BL5A」、「BL17A」、「NW12A」を用いて結晶構造の解析を実施した。
その結果、SelAは2個のサブユニットからなる2量体が5個、星形に配列した10量体であることがわかったのである(画像3)。
すべてのサブユニットは互いに同じ構造であるため、正5角形型の対称性を持つ。
正5角形型の正面から見た図が画像3(左)で、側面から見た図が画像3(右)だ。
N末端ドメインが星型の板状構造から突き出しているのが特徴である。
