2010/07/14
【概要】
動物の体の中でホルモンや神経伝達物質が細胞に働きかけると、血管が収縮したり、神経細胞が興奮したり、血小板が凝集して血が固まったり と様々な応答が起こります。このさいに細胞外のシグナル（信号）を細胞内へ伝達する分子として細胞膜にある「Gタンパク質」は極めて大事な役割を果たして います。
奈良先端科学技術大学院大学(学長：磯貝彰)バイオサイエンス研究科の伊東広教授らのグループは、Gタンパク質に結合すること で、シグナルの伝達を遮断する低分子化合物の立体構造と作用機構を世界で初めて明らかにしました。過剰なホルモン・神経伝達物質などにより起きる病気や、 調節が効かなくなった腫瘍などの病気に対する新たな治療薬の開発へのブレークスルーになるとともに、Gタンパク質の活性化機構をひも解く上でも大変重要な 情報を提供します。
この成果は、７月１６日（金）に、米国科学アカデミー紀要（PNAS）の電子版に掲載されます。【掲載雑誌のプレス解禁日時：平成２２年７月１３日（火）午前４時（日本時間）】
G タンパク質はホルモン、神経伝達物質、細胞増殖因子、光、匂い、味物質など数多くの細胞外のシグナルを細胞内に伝達する。その仕組みは、シグナルを細胞膜 表面にあるGタンパク質共役受容体が受け取ることにより、連結したＧタンパク質が活性化され、細胞内部に向けて新たなシグナルとして伝達される（図１）。
G タンパク質共役受容体はヒトでは１０００種類ほど存在し、この受容体をブロックすれば過剰な情報に反応しなくなり、逆に足りない情報を補ったりすると病気 の治療につながることから、今日使用されている治療薬の半分近くが、これを標的分子にしている。さらに、Gタンパク質がGタンパク質共役受容体により調節 されるため、Gタンパク質も新規薬剤の標的分子となる可能性を持っている。しかし、これまで選択的に特定のGタンパク質を阻害する低分子化合物およびその 結合部位の立体構造はまったく明らかにされておらず、新薬開発の障害になっていた。
伊東教授らは本学情報科学研究科の箱嶋敏雄教授、北野 健助教およびアステラス製薬と共同して、世界で初めてGタンパク質と結合してシグナルを遮断する低分子化合物と、Gタンパク質と結合してできる複合体の立 体構造を解き明かした（図２）。本研究成果は、新たな治療薬の開発へのブレークスルーとなるとともにGタンパク質の活性化機構をひも解く上でも大変重要な 情報を提供することから1994年のノーベル医学生理学賞を「Gタンパク質の発見と機能解明」で受賞したアルフレッド•ギルマン教授（米国テキサス大学） が編集者となって論文が掲載された。
【解説】
私達の身体を構成する６０兆個の細胞は常に細胞同士の情報のやり取りを行って環境の変化に対応するため、筋肉を動かして移動したり、無意識に心臓の拍動を強めたり、また生体防御に役立つストレス応答ホルモンを分泌したりする。
こ うした生体のメカニズムの中でＧタンパク質は、身体の働きを調節する細胞の情報伝達システムで中心的な役割を担っている。光や匂いだけでなく多くのホルモ ンや神経伝達物質は、細胞膜の表面でアンテナの役目をする受容体に捕まえられる。受容体は細胞内部でGタンパク質と結合して、シグナルを受け渡す。シグナ ルを受け取ったGタンパク質は自らの立体構造を変えて情報伝達システムのスイッチを入れたり、切ったり、さらに情報を増幅したり、絶妙なバランスをとりな がら数多くの生体機能を調節している。
従って、この分子の働きが狂えば、身体の安全装置が外れて病気につながることにもなる。現在使われ ている薬の４０％は、Gタンパク質にシグナルを受け渡す受容体（Gタンパク質共役受容体）をターゲットとしている。これまで大学や製薬企業の研究者はGタ ンパク質共役受容体を標的とした数多くの低分子化合物を探索して、薬としての有効性を証明し、新しい薬の開発を行ってきた。しかし、最近新薬の開発速度が 鈍って来ていることが問題となっている。一つの要因はGタンパク質共役受容体の立体構造の研究が思うように進まずに構造情報からの画期的な薬の開発が遅れ ていること、そしてもう一つの要因としてGタンパク質自身の活性を調節する低分子化合物がほとんど見つかっておらず、また調節する分子の結合部位もまった く明らかにされていなかった。
伊東教授らは分子量1000の環状化合物YM-254890（図３）に着目した。YM-254890は心筋 梗塞、脳梗塞の予防治療薬の探索のため、血液を固める作用を担う血小板の凝集を阻害する物質としてアステラス製薬が多摩の土壌細菌の培養液から単離同定し た物質だ。Gタンパク質を介するシグナルを阻害することは判っていたが、その作用点および作用機構は不明だった。
伊東教授らは、まず YM-254890が直接Gタンパク質に働きかけてシグナル伝達をブロックすることを証明した。さらにYM-254890とGタンパク質からなる複合体の 結晶化およびX線結晶構造解析に成功した。Gタンパク質は受容体からのシグナルを受け取るとGDP（グアノシン二リン酸）が結合している不活性型のタンパ ク質からGDPを放出する。その際、GDPが離れるためにタンパク質が開いた構造になると考えられるが、タンパク質が開く時に蝶つがいのように働く部位か らなるポケットにYM-254890は刺さっていた。
すなわちGタンパク質の立体構造を不活性化状態に固定化してしまうことでスイッチが オンになることを防いでいることを見出した（図４）。ヒトのGタンパク質は２０種類程度に分類されるが、YM-254890は細胞内のカルシウム濃度を上 昇させるシグナルを伝達する３種類のGタンパク質（Gq, G11, G14）にのみ働くことも判った。YM-254890が突き刺さるポケットは全てのGタンパク質に存在しているが、そのポケットの形状が微妙に異なるため YM-254890だけを入れるという選択性が現れる。このポケットの形状の違いから別のGタンパク質に選択性を持った新たな低分子化合物の設計も可能 だ。それぞれのGタンパク質が異なるシグナル伝達システムを動かして様々な細胞機能を調節していることから、創薬や研究ツールの開発へのランドマークにな る成果と言える。
眼のブドウ膜メラノーマや脳の下垂体腫瘍などでGタンパク質の変異が見出されている。これはGタンパク質が細胞外の刺激 がなくても常にオンになってしまうことで起こる。YM-254890はこのような活性型変異体に対しても抑制作用を示すことから抗腫瘍剤の開発にも発展す る可能性も期待される。
【用語説明】
●Gタンパク質
GTP結合タンパク質の略。Gタンパク質はα、β、γの３ つのタンパク質からなるが、αタンパク質にグアノシン二リン酸（GDP）あるいはグアノシン三リン酸（GTP）が結合する。結合しているGDPをGTPに 置き換えることで活性型となり細胞内へシグナルを伝える。また、GTPを分解してGDPに変える酵素の働きも持っている。コレラ毒素、百日咳毒素はADP リボシル基という化学構造体をそれぞれ異なるGタンパク質に付加することでGタンパク質の働きを邪魔して疾患の原因を生じる。
●Gタンパク質共役受容体
光、 匂いのみならず多くのホルモン、神経伝達物質を細胞膜表面で捕獲し、それら細胞外の刺激を細胞内のGタンパク質へ伝える役目を果たす。細胞膜を７回貫通す る共通構造を持ち、ヒトにおいて1,000種類近く存在する。G protein-coupled receptorの略でGPCRと呼ばれる。現在、使われている薬の40-50%がGPCRをターゲットとしており、胃潰瘍の治療に劇的な効果を示す抗ヒ スタミン薬、血圧、不整脈、狭心症の治療薬、緑内障治療薬、抗パーキンソン病薬など数多くの薬がGPCRに結合して治癒効果を発揮する。
●X線結晶構造解析
結 晶にX線を照射した際におこる「回折」という現象を利用して、結晶中の原子の３次元での配置を特定し分子の立体構造を決定する方法。小さい化合物のみなら ず大きくて複雑なタンパク質やタンパク質とタンパク質複合体も結晶化することが出来れば、この方法を用いて原子レベルで立体構造を決定できる。強力なX線 を必要とするので兵庫県播磨にあるSPring8のシンクロトロン放射X線が本研究においても威力を発揮した。
