分子動力学計算による超好熱菌由来タンパク質の安定性の解析

抄録

生体高分子であるタンパク質の安定化要因に関して，数十年以上さまざまな研究がなされてきた．本報では，分子動力学計算と，アミノ酸配列・立体構造の解析結果を組合せて，あるタンパク質の安定化要因を探索した．対象とした超好熱菌 Thermotoga maritima 由来コールドショックタンパク質(CSP)は，菌の至適生育温度 353 K では，わずかな構造安定性(ギブス自由エネルギー変化 ΔG(T_opt)=0.3 kcal/mol)しか持たない．一方，常温菌由来の相同な CSP は，菌の至適成育温度 310 K で，超好熱菌由来 CSP の 5 倍以上の安定性を持つ(大腸菌由来 CSP で ΔG(T_opt)=2.2 kcal/mol，枯草菌由来 CSP で 1.5 kcal/mol)．同じ温度(室温)で比べてみると，超好熱菌由来 CSP は，常温菌由来 CSP よりも高い安定性を示す．これらの報告例から，超好熱菌由来 CSP は，熱力学的ではなく速度論的バリアによって，高温でもアンフォールドしないと推測される．より詳細な熱安定化のメカニズムを探るために，分子動力学計算で超好熱菌 CSP の完全なアンフォールディングを観測し，筆者らの推測を検証した．超好熱菌 CSP 以外の相同 CSP は，C 末部分からアンフォールディングが始まり N 末端部分の構造は最後まで残るが，超好熱菌 CSP は，両末端部分ともアンフォールドするまでに計算時間を要し，ほぼ同時に崩れる．その C 末端部分では，R2, E47, E49, H61, K63 および E66 の荷電残基の相互作用により構造が強固になり，N 末端部分との相互作用も強化されている．これらの相互作用は，超好熱菌 CSP に固有で，常温菌 CSP には見られず，アンフォールディングのバリアとして作用している．この相互作用を壊すアミノ酸置換を導入した変異体モデルと，他の CSP にこの相互作用を導入した変異体モデルのアンフォールディング計算結果からも，この相互作用が超好熱菌 CSP 特有のアンフォールディング機構を決定し，分子の安定化に寄与していることが示された．