(ALS)原因蛋白の毒性メカニズムを解明ALSに対する治療法開発への応用に期待RSSTweet2021.09.22要点C9orf72遺伝子から産生されるプロリンとアルギニンが交互に並ぶジペプチド(ポリPR)は蛋白翻訳を抑制しますが、プロリンとアルギニンの順序を入れ替えることで毒性がなくなることを発見しました。定量的プロテオーム解析とその後のデータ解析により、交互にアルギニンを持つポリPRはグルタミン酸やアスパラギン酸といった酸性アミノ酸を多く含む蛋白質と相互作用しやすいことを確認しました。プロリンがアルギニンの間に入ると、結合エネルギー的には不利であるものの、1つの分子が多数の分子と結合する多価結合が促進され、液液相分離に適していることを発見しました。らの研究グループは、ALSの主要な原因遺伝子である変異型C9orf72遺伝子から産生されるジペプチドが液液相分離を促進することで種々の蛋白を捕獲し機能を抑制することで細胞毒性を持つ機構を示しました。2-5年の難病で有効な治療法が十分に確立されていません。今回の研究結果は、家族性ALSの4割を占める変異型C9orf72によるALSの発症機構解明に繋がるものと期待されます。(ALS)は進行性に運動神経細胞が変性し、身体の自由が効かなくなる神経難病です。人工呼吸器を着けない場合、診断後の平均生存期間は2-5年と短く、また治療薬もリルゾールやエダラボンなどが臨床現場で使用されていますが、原因の解明と根本的治療法の開発が望まれています。原因遺伝子で、家族歴を持つALS患者の4割が同遺伝子の変異を持つとされています。ALS患者で見られる変異は全て同じタイプであり、イントロン1に含まれる(GGGGCC)の6塩基繰り返し配列が異常に伸長する変異が見られます。(GGGGCC)配列延長により、なぜALSが起こるかの詳細は未だ不明ですが、リピート長依存性開始コドン非依存性翻訳と呼ばれる特殊な蛋白翻訳機構によりポリPR(プロリンとアルギニンの繰り返し配列)を含むジペプチドが産生され、これらのペプチドが毒性を持つことから、ALSの発症に繋がると考えられるようになってきました。ポリPRという単純な構造を持つペプチドが毒性を獲得するかは不明のままでした。そこで本研究では、なぜポリPRが細胞毒性を獲得するのかの分子機構を解明し、ALS治療法開発へ繋がる研究を目指しました。アルギニンの並び方を変えるとポリ(PR)の持つ蛋白翻訳を障害する毒性が失われる。無細胞翻訳系およびヒト培養細胞を用いた解析により、プロリンとアルギニンが交互に存在する場合は蛋白翻訳を抑制しますが、プロリンとアルギニンを連続させた構造では翻訳抑制効果が失われることを発見しました。ポリPRが結合し、機能を阻害することが知られている核小体蛋白質NPM1への作用もアルギニンの位置に依存することを明らかにしました。ポリPRの毒性はペプチド内のアルギニンが交互に位置することで発生することが分かりました。定量的プロテオミクス[用語1]とその後のデータ解析によりポリPRは酸性アミノ酸を含む蛋白質と液液相分離[用語2]を介して結合していることを解明アルギニンが交互に位置することでなぜ毒性を獲得するのかを明らかにするために、ポリ(PR)と結合してくる蛋白質を、種類と量の両方を測定できる定量的プロテオミクス法により解析しました。得られた2000近くの結合蛋白質のほとんどは無害なペプチドであるポリアルギニン(R12)の結合蛋白と共通するものでしたが、結合してくる量が数百倍以上増えている蛋白質が多数見つかりました。これらの蛋白質に共通する性質を探したところ、酸性アミノ酸であるアスパラギン酸とグルタミン酸を非常に多く含むものが含まれることが分かりました。結合する量が増えた蛋白質とポリPRは液液相分離と呼ばれる現象を起こすことも分かりました。細胞内での蛋白翻訳の程度アルギニンが交互に位置する場合と連続して位置する場合で結合エネルギーに違いがあるのかについて検討を行うため、東京工業大学が所有するスーパーコンピューターTSUBAMEを用いた分子動力学計算を行ったところ、アルギニンが交互に位置する構造は結合エネルギーには不利であることが分かりました。FRAP法でもポリPRの結合力は連続するアルギニンと比較して弱いことが分かりました。この弱い結合力のおかげで少ない分子と強く結合するのではなく、多数の分子と緩やかな結合を形成し、液液相分離を起こすのに適していることが分かりました。本研究により変異型C9orf72から産生されるポリPRジペプチドが酸性蛋白質と液液相分離を促進することで細胞毒性を発揮することが示唆されました。本研究結果をもとに、研究グループはポリPRによる液液相分離を調節できる小化合物スクリーニングを計画しており、新たなALSの創薬ターゲットの同定につながる可能性が期待できます。あるサンプルに含まれる全ての蛋白質の種類だけでなく存在する量も網羅的に解析する技術。2種類の水溶液を混合した際にあたかも水と油のように2つの液相に分離する現象。近年細胞内の様々な小器官の形成に関与することが明らかとなってきた。コンピューターを用いて、目的の分子の動きや他分子と結合する様子を原子1つずつシミュレーションする技術。莫大な計算量が必要であり、スーパーコンピューターでの計算が一般的である。東工大の教育に関連するWebサイトの構成です。