シェディングされる膜タンパク質を選び出す仕組みを解明―負の電荷を持つアミノ酸がシェディングを阻害する―

成果情報シェディングされる膜タンパク質を選び出す仕組みを解明―負の電荷を持つアミノ酸がシェディングを阻害する―

成果情報

立命館大学
日本医療研究開発機構

立命館大学生命科学部の白壁恭子教授らの研究グループは、東京医科歯科大学、九州大学、大阪大学との共同研究で、膜たんぱく質の特定の領域のアミノ酸配列が細胞外ドメインシェディング（以下、シェディング）に対する感受性を決めていることを解明いたしました。本研究成果は、学術誌「Journal of Biological Chemistry」で発表し、採択率2％程度であるEditors’ Picksにも選出されました。本研究は、国立研究開発法人日本医療研究開発機構の革新的先端研究開発支援事業（AMED-CREST）「生体恒常性維持・変容・破綻機構のネットワーク的理解に基づく最適医療実現のための技術創出」研究開発領域における研究開発課題「細胞間相互作用と臓器代謝ネットワークの破綻による組織線維化の制御機構の解明と医学応用」（研究開発代表者：小川佳宏）の一環で行われました。

本件のポイント

細胞膜に埋め込まれた膜タンパク質から細胞外ドメイン^*1を切り離す「シェディング」は、切断されるタンパク質だけではなく、それを発現している細胞の機能も変換する影響力の強い分子機構です。
本研究では、細胞外ドメインの膜近傍に「負の電荷を持つアミノ酸」を多く含む膜タンパク質はシェディングを免れることを明らかにしました。
シェディングが関わる炎症性疾患・がん・神経変性疾患といった様々な疾患の治療方法の開発に繋がる可能性があります。

研究分野の背景

細胞膜には様々な機能を持つ膜タンパク質が埋め込まれており、埋め込まれている膜タンパク質の種類によって細胞が果たせる機能も異なります。白壁教授らが研究の対象としているシェディングは、膜タンパク質から細胞外に露出している部分を切り離すという分子機構であり（図1）、細胞表面にある膜タンパク質のレパートリーを変えることで細胞の機能も変えてしまう、強い影響力を持った機構です。また炎症を惹起するサイトカインや細胞増殖を促す増殖因子には、膜タンパク質として作られシェディングされて初めて全身性に作用するものも多く、シェディングは細胞間コミュニケーションの根幹を支えています。シェディングは膜に埋め込まれた切断酵素^*2（図1、ハサミ）によって担われますが、この酵素には特定のアミノ酸配列を認識して切断するといった性質はなく、どのようにして限られた膜タンパク質だけがシェディングされるのかはほとんどわかっていませんでした。

成果の要点

免疫細胞マクロファージが細菌成分を認識して活性化すると、炎症性サイトカインがシェディングされ放出されます。これまでの研究で白壁教授らは、活性化したマクロファージからシェディングされ放出される膜タンパク質をプロテオミクススクリーニングすることで、接着分子ALCAM（activated leukocyte cell adhesion molecule）がシェディングされることを明らかにしていました。本研究では、選択的スプライシングによって生じる2種類のALCAMバリアント^*3の解析から、予期しなかったシェディング制御機構を明らかにすることができました。この2つのALCAMバリアントは、シェディングが起こる膜近傍に分子全体の3％にも満たない短いアミノ酸配列（図2上、赤線）が挿入されるか否かで生じますが、挿入されたALCAMはシェディングされず挿入されないALCAMはシェディングされることがわかりました（図2）。この短い配列にはシェディングを阻害する何らかの要素が含まれると考え詳細に解析したところ、配列の半分近くが負の電荷を持つアミノ酸（図2上、緑丸）であること、これらの負の電荷を持つアミノ酸を電荷のないアミノ酸に置換するとシェディングされるようになることがわかりました。白壁教授らは既にCADM1（cell adhesion molecule 1）という別の接着分子について、シェディング切断部位に糖鎖のないCADM1バリアントだけがシェディングされることを報告しています。今回の結果と合わせて考えると、シェディングを担う切断酵素にとって好ましい要素を持つ膜タンパク質が選ばれるのではなく、「阻害要素がない膜タンパク質」が選ばれることでシェディングの特異性が保たれているという、シェディング制御機構の新しい考え方が示唆されます（図3）。