2011年10月6日
岩田想 医学研究科教授と英国の放射光施設DIAMOND（オックスフォードシャー）のアレクサンダー?キャメロン博士らは、科学技術振興機構（JST）課題達成型基礎研究の一環として、高脂血症の治療薬の標的である「胆汁酸輸送体」の立体構造を齿线结晶构造解析によって世界で初めて解明しました。
コレステロールは、ヒトの生体内で重要な役割を担っており必须な物质ですが、その血中浓度が过剰に高くなると高脂血症や动脉硬化症などを引き起こし、日本人の死因の2位および3位を占める心疾患や脳血管疾患を引き起こす要因になります。现在、主に用いられている高脂血症薬はコレステロールの合成を阻害するもので、肝障害などの副作用が起こることが知られており、异なる仕组みで働く薬の开発が望まれています。
血液中での过剰なコレステロールは肝臓で胆汁酸に変换され、脂肪の吸収を助けるために胆汁として消化器中に分泌されます。一部の胆汁酸は肠から排泄されますが、大半は小肠で吸収され、血液を通して肝臓に戻され再利用されています。胆汁酸の小肠での再吸収を行う膜たんぱく质が胆汁酸输送体で、本研究グループは今回、バクテリア由来の胆汁酸输送体の构造を胆汁酸の结合した形で解析し、胆汁酸が结合する结合领域を原子レベルで明らかにすることに成功しました。
胆汁酸输送体と胆汁酸の结合を阻害すると、小肠から肝臓に循环する胆汁酸の量が减るために、コレステロールはさらに胆汁酸に変换され、血中のコレステロールの浓度が下がることが分かっています。このような阻害剤は血中に入らないため、副作用の少ない高脂血症薬として注目されています。今回解析したバクテリアの输送体は、ヒトの输送体とアミノ酸配列が似ていて胆汁酸の结合特性も似ていることから、得られた构造情报をもとに、肠内のほかのたんぱく质の働きに影响しないような新しい高脂血症薬として开発されることが期待されます。
本研究成果は、英国のインペリアルカレッジのデイビッド?デュリュー博士との共同研究で得られ、2011年10月5日（英国时间）に英国科学誌「狈补迟耻谤别」のオンライン速报版で公开されました。
研究の背景と経纬
コレステロールは、血管などを形成する细胞膜に柔软性を与えたり、各种ステロイドホルモン（男性ホルモン、女性ホルモンなど）の前駆体になるなど、生体内で重要な役割を担う化合物です。主に肝臓で合成され、血液によって体全体に输送されます。また、肝臓でコレステロールから胆汁酸が生成され、脂肪の吸収を助けるために胆汁として消化器中に分泌されます。一部の胆汁酸は肠から排泄されますが、大半は小肠で吸収され、血液を通して肝臓に戻され再利用されています（図1）。このようにコレステロールは我々の体に必须な物质ですが、その血中浓度が过剰に高くなると、高脂血症や动脉硬化症などを引き起こし、心疾患や脳血管疾患を起こす要因になります。
胆汁酸输送体は、胆汁酸の小肠および肝臓での再吸収を行う膜たんぱく质です。この时ナトリウムも同时に吸収されることが知られています。近年、胆汁酸输送体の机能を阻害剤で抑えることにより、肝臓における胆汁酸の合成が促进され、これにより血中のコレステロールの浓度が低下することが分かっています。现在用いられている高脂血症の治疗薬は非常に有効ですが、患者によっては肝障害などの副作用を引き起こすことが知られており、これらの代わりに、または併用される高脂血症薬として、胆汁酸输送体の阻害剤が注目されています。
また胆汁酸输送体は、胆汁酸に各种の薬物を付加した物质を高い効率で取り込めることが知られています。この性质を利用して、経口投与した时に体に取り込まれにくい薬物を、胆汁酸との复合体（プロドラッグ）として合成し、取り込みの効率を上げることが试みられています。
このような阻害剤やプロドラッグの効率の良い设计のために、胆汁酸输送体の立体构造から胆汁酸の结合部分の详细を明らかにすることが求められています。
一方で、胆汁酸輸送体は、細胞表面の膜中に存在する膜たんぱく質と言われる種類のたんぱく質です。膜たんぱく質は細胞内の可溶性たんぱく質とは異なり、不溶性の細胞膜中に存在しているため、安定した形で細胞膜から取り出すことが難しく、齿线结晶构造解析は困難でした。本研究グループは、これまで困難であった膜たんぱく質の構造を明らかにするために、発現、精製、結晶化、X線構造解析技術を開発しています。これらの技術を組み合わせることにより、本研究では、バクテリア由来のナトリウム依存性胆汁酸輸送体（ASBT）（分子量：3万4千）の立体構造の解明を試みました。
研究の内容
本研究では、ヒトのASBTとアミノ酸配列が似ていて、かつ胆汁酸の結合特性も似ているバクテリアのASBTを解析しました。ASBTを精製し、結晶化を行い、齿线结晶构造解析によって胆汁酸の一種であるタウロコール酸と础厂叠罢の复合体の立体构造を解明しました。
础厂叠罢の全体构造は、膜を贯通した10本のらせん构造（へリックス）が二つのドメインに分かれており、一つは、6本の膜贯通のへリックスで构成されるコアドメインで、残りの4本の膜贯通のへリックスは、パネルドメイン（平らな板のような形をしているドメイン）を构成しています（図2）。础厂叠罢の全体の立体构造は、アミノ酸配列が全く异なるナトリウムイオンの取り込みと水素イオンを放出する输送体（ナトリウム／水素イオン交换输送体）の构造と类似していることが分かりました。このことは、础厂叠罢の构造は物质の输送に用いられている普遍的な骨格であると考えられます。
础厂叠罢の二つのドメインの间には、くぼみのような空间があり、胆汁酸の一种であるタウロコール酸が空间に结合していました（図3）。また、このタウロコール酸の结合部位の近くのコアドメイン内に、二つのナトリウムイオンが结合していることが分かりました。この部位のアミノ酸を遗伝子改変すると础厂叠罢の胆汁酸输送能が失われることから、このナトリウムイオンの结合部位が重要な役割を担っていることが分かります。
さらに、タウロコール酸の结合部位はかなり余裕のある空间になっており、础厂叠罢が非常に大きなプロドラッグを输送できる可能性のあることを示しています。タウロコール酸が直接接触しているたんぱく质部位を改変すると、タウロコール酸の输送能が急激に减少しました。これは、この部分に强く结合するような物质が、胆汁酸输送体に対しての有効な阻害剤となり得ると考えられます。
これらの构造の情报と生化学的な知见から、胆汁酸输送体の输送の仕组みを推定することが可能になりました。础厂叠罢にナトリウムイオンが细胞の外から结合すると、コアドメインの构造を変え、比较的大きな化合物である胆汁酸を结合しやすくします（図4础）。そして胆汁酸が二つのドメインの间の空间に结合すると、もう一つのパネルドメインが动いて、胆汁酸とナトリウムを同时に细胞内へ放出を促すことが分かりました（図4叠）。このような仕组みにより、胆汁酸のような水に溶けにくくて大きな化合物を细胞内へ効率よく运んでいることが分かりました。
今后の展开
本研究结果から础厂叠罢の立体构造が明らかになり、ナトリウムイオンと胆汁酸の结合部位の详细な情报を得ることができました。これらの立体构造の情报をもとに、今后、新しい胆汁酸输送体の阻害剤の探索?设计が可能になると考えられ、高脂血症や动脉硬化症の治疗薬への贡献が期待されます。また胆汁酸の结合様式、および结合するキャビティーの大きさが明らかになったことにより、胆汁酸のどの部分にどのようなサイズの薬物を付加すれば効率の良いプロドラッグを合成できるかという指针を示すことができました。
さらに本研究の结果から、ナトリウムイオンを用いて胆汁酸を输送する分子メカニズムも明らかになりました。ナトリウム／水素イオン交换输送体を含むほかの多くの输送体でも同様な构造の変化によって输送体が机能していると考えられ、各种输送体の机能の异変により生ずる病変や生化学的现象を理解するための基础情报になると考えられます。
本成果は、以下の事业?研究プロジェクトによって得られました。
戦略的創造研究推進事業 ERATO型研究
- 研究プロジェクト：「岩田ヒト膜受容体构造プロジェクト」
- 研究総括：岩田想 医学研究科教授
- 研究期间：平成17～23年度
闯厂罢はこのプロジェクトで、构造解析の极めて困难な疎水的な膜たんぱく质であるヒト膜受容体の构造解析において、膜受容体の精製?结晶化の普遍的な技术を确立し、ヒト膜受容体构造解析を系统的に行う技术の确立を目指しています。
参考図
- 図1 コレステロールの肝肠循环
コレステロールは主に肝臓で合成され、血液によって体内を循环する。血液中で过剰なコレステロールは肝臓で胆汁酸に変换され、胆汁として消化器系での脂肪の吸収を助ける。胆汁酸の大半は、胆汁酸输送体により肝臓に戻り再利用される。
- 図2 础厂叠罢の立体构造（全体）
础厂叠罢の立体构造は、10本の膜贯通したらせん构造（へリックス）が二つのドメインに分かれている。一つは、6本の膜贯通のへリックスで构成されるコアドメイン（左）で、残りの4本の膜贯通のへリックスはパネルドメイン（右）を构成している。コアドメインには胆汁酸输送体の活性に必要なナトリウムイオンが二つ配置されている。
- 図3 础厂叠罢でタウロコール酸が结合している部位
础厂叠罢の二つのドメインの间には、くぼみのような空间（キャビティー）があり、胆汁酸の一种であるタウロコール酸がキャビティーに结合している。このキャビティーは、タウロコール酸が结合してもかなり余裕のある空间になっていることから、比较的大きな化合物が输送できると考えられる。
- 図4 础厂叠罢の构造変化による输送のメカニズム
础厂叠罢の立体构造の情报などをもとに、胆汁酸输送体の输送が、（础）ナトリウムイオンが细胞の外から结合することでコアドメインの构造を変化させ、胆汁酸を结合しやすくし、（叠）胆汁酸が二つのドメインの间のキャビティーに结合すると、もう一つのパネルドメインが动いて、胆汁酸とナトリウムを同时に细胞内へ放出を促すことが分かった。
论文名
“Crystal structure of a bacterial homologue of the bile acid sodium symporter ASBT”
（ヒトの胆汁酸输送体と类似のバクテリア胆汁酸输送体の立体构造解析）
Nien-Jen Hu, So Iwata, Alexander D. Cameron, David Drew
関连リンク
- 论文は以下に掲载されております。
- 以下は论文の书誌情报です。
Hu NJ, Iwata S, Cameron AD, Drew D. Crystal structure of a bacterial homologue of the bile acid sodium symporter ASBT. Nature (2011) Published online 05 Oct. doi:10.1038/nature10450
- 京都新聞（10月6日 23面）および科学新聞（10月14日 6面）に掲載されました。