細菌III型分泌装置によるタンパク質輸送の分子メカニズム
初めに
ヒトと細菌は切っても切れない間柄です。例えば、腸内フローラはヒト腸内での代謝や免疫に大きく影響しますし、皮膚常在菌は表皮のバリア機能に影響します。しかし、いい効果だけではなく、悪い影響を与える細菌も存在しています。例えば、毎年食中毒で話題になる病原性大腸菌O-157やサルモネラ属菌です。先進国では、衛生環境の改善や抗生物質の存在によって、ひと昔に比べれば、その脅威は大いに減少していると言えます。しかし、途上国では未だに、細菌による感染症が多くの人々に脅威を与えています。また、先進国でも今後、多剤耐性菌の出現などによって細菌感染症の脅威が増していく可能性が高いです。そのため、細菌の持つ病原性がどのように発揮されるのか、そのメカニズムを明らかにしていくことが必要です。
III型分泌装置
細菌が病原性を発揮するには、様々な要素が必要です。例えば、べん毛を使って水中を遊泳し、腸管上皮細胞に付着すること。毒素や病原性タンパク質を菌体外に放出すること、宿主細胞内部や表面で増殖すること等です。病原性大腸菌O-157やサルモネラ属菌は、べん毛によって遊泳し、腸管上皮細胞に付着した後、ニードル複合体によって病原性タンパク質(エフェクター)を宿主細胞に直接送り込んでいます。送り込まれたエフェクターは、宿主細胞の生理機能を操り、様々な病原性を発揮します。ニードル複合体の根元には、III型分泌装置と呼ばれるタンパク質輸送体が存在しており、これがエフェクターの宿主細胞内への輸送を行っています(図1)。一方、細菌の運動器官であるべん毛も、その根元にIII型分泌装置を持っています。べん毛は約20種類の構成タンパク質が、数万分子集合して構築される超分子複合体です。
べん毛のIII型分泌装置の構成
べん毛III型分泌装置は、６種類の膜タンパク質(FlhA、FlhB、FliO、FliP、FliQ、FliR)からなる輸送ゲートと、３種類の細胞質タンパク質(FliH、FliI、FliJ)からなるATPase複合体で構成されています(図2)。タンパク質輸送のエネルギー源はプロトン駆動力であり、ATP加水分解エネルギーが輸送効率を高めるために使われていると考えられています。輸送されるタンパク質は13種類あり、輸送ゲートを通過して細胞外へと輸送されます。
これからの課題
これまでに、様々な遺伝学的、生化学的、構造学的な解析が行われ、III型分泌装置の作動メカニズムが明らかにされてきました。しかしながら、その多くがIII型分泌装置の細胞質領域に関するもので、輸送ゲートの膜貫通領域に関してはほとんどブラックボックスとなっています。例えば、プロトン駆動力によってH+がどこを流れていくのか、基質タンパク質がどこを通って輸送されるのか、ATP加水分解エネルギーとプロトン駆動力と基質輸送の共役関係がどうなっているのか、不明な点が多く存在します。私たちはこれらの問題を解明するために、試験管内でIII型分泌装置のタンパク質輸送を再現する実験系を作ることに成功しました。この実験系を使うことで、外部からの影響を排除し、タンパク質輸送のみに焦点を当てて解析できるようになりました。私たちは、この実験系を使い、III型分泌装置のタンパク質輸送メカニズムを明らかにすることを目指しています。本研究は、大阪大学今田研究室との共同研究です。