生物研、「昆虫幼若ホルモン」とその血液中での輸送の仕組みを解明

農業生物資源研究所(生物研)は、「昆虫幼若ホルモン様化合物(幼若ホルモン)」とその輸送タンパク質の複合体の立体構造を明らかにし、同ホルモンの血液中での輸送の仕組みも明らかにしたと発表した。成果は、生物研農業生物先端ゲノム研究センター 生体分子研究ユニットの鈴木倫太郎主任研究員、同藤本瑞主任研究員らによるもの。詳細な内容は、2011年10月28日付けで英科学誌「Scientific Reports」に掲載された。

化学合成農薬は、作物の安定的な生産に貢献しているが、一方でその使用を誤ると、環境汚染や人体への害といった問題を引き起こす危険性も併せ持つ。その解決策の1つとして、人体や環境に影響を与えずに害虫だけを防除する農薬が考えられている。

この条件に叶う殺虫剤としては、昆虫成長制御剤が知られており、幼若ホルモンはその代表だ。幼若ホルモンは昆虫に固有で、血液中に存在するタンパク質の1つ。胚発生、脱皮・変態、生殖など、卵から成虫までのあらゆるステージの生理現象に関わる。哺乳動物は幼若ホルモンを持たないので、一般にヒトには安全性が高いと考えられている次第だ。

幼若ホルモンは、昆虫の頭部にある小さな分泌器官「アラタ体」から分泌される。そして、同じく昆虫に特有な「幼若ホルモン結合タンパク質」と結合して標的細胞や組織まで運ばれ、機能を発揮する特徴を持つ。ちなみにチョウ目昆虫では、血中に存在する幼若ホルモンの99%以上が幼若ホルモン結合タンパク質と結合した状態で存在している。

しかし、本来水には非常に溶けにくい幼若ホルモンが、どのようなメカニズムで幼若ホルモン結合タンパク質と結合し、血液中を移動するのかはまったくわかっていなかった。

そこで、より効果的な新規昆虫成長制御剤の開発を進めるため、カイコの幼若ホルモンと幼若ホルモン結合タンパク質の立体構造の決定を行い、ホルモンと輸送タンパク質の相互作用や幼若ホルモン輸送の仕組みに関して、今回研究が行われたというわけだ。

まず、カイコの幼若ホルモンと幼若ホルモン結合タンパク質の複合体を作製し、結晶中と溶液中における複合体の立体構造をX線結晶構造解析と多次元核磁気共鳴(NMR)解析によりそれぞれ決定した。なお、結晶構造の決定に当たってのX線回折強度データの測定には、高エネルギー加速器研究機構の放射光施設「Photon Factory」と、理化学研究所の大型放射光施設「SPring-8」が利用されている。

解析の結果、結晶中と溶液中の立体構造は一致し、いずれの構造においても幼若ホルモン(赤色)は幼若ホルモン結合タンパク質内部のポケット(幼若ホルモン結合ポケット)に格納され、完全に外界から隔離されていることが判明(画像1)。

画像1が、カイコの幼若ホルモンと幼若ホルモン結合タンパク質複合体の結晶構造だ。幼若ホルモン(赤色)はタンパク質内部(幼若ホルモン結合ポケット)に格納され、ポケットの扉(青色)が閉じることで完全に外界から隔離されているという仕組みである。こうして幼若ホルモンは標的細胞以外の部分への結合やホルモン分解酵素による分解から保護されて、標的細胞まで無事に送り届けられていたというわけだ。

次に、幼若ホルモン結合タンパク質が幼若ホルモンを取り込む仕組みを明らかにするために、幼若ホルモン結合タンパク質単体の立体構造を決定し、複合体の構造との比較が行われた。その結果、幼若ホルモン結合タンパク質単体では、幼若ホルモンが結合ポケットに侵入しやすいように、扉(青色)が大きく開いた構造を採っていること判明(画像2)。

幼若ホルモンと幼若ホルモン結合タンパク質の複合体が標的細胞に到達すると、幼若ホルモンは複合体から解離して、細胞内に放出されることになる。そこで、幼若ホルモンが解離する条件を検討したところ、細胞膜近傍の疎水性の高い環境を感知することにより解離することが明らかになった(画像3)。

画像3は、幼若ホルモンの血液中輸送の模式図だ。(1)まず、昆虫血液内において、幼若ホルモン結合タンパク質は、幼若ホルモン結合ポケットの扉の開閉を繰り返しながら幼若ホルモンを取り込む準備運動をしながらアラタ体に向かう。(2)幼若ホルモンを合成するアラタ体の細胞膜に近付くと、幼若ホルモン結合タンパク質は扉が開いた構造が安定し、幼若ホルモンを取り込みやすい状態になる。

(3)幼若ホルモンが結合ポケットに侵入すると扉が閉じて、幼若ホルモンはタンパク質内部のポケットに格納され、輸送中に生じる結合や分解から保護された状態で標的細胞まで運搬される形だ。(4)複合体が標的細胞に到達すると、細胞膜近傍の環境の変化を感知して扉を開いて幼若ホルモンが細胞に移行し、生理現象が誘起されると推測される。幼若ホルモンを放出した幼若ホルモン結合タンパク質は(1)の状態に戻り、再び繰り返すというわけだ。

幼若ホルモン-幼若ホルモン結合タンパク質複合体の立体構造決定に成功したことにより、ホルモンとタンパク質の相互作用の仕組みが分子レベルで解明された。この立体構造情報を利用することで、精密に設計された新たな農薬の開発が加速されるものと期待されると、研究グループはコメントしている。