G-四重鎖が蛋白質折りたたみを触媒する研究報告

学術的背景

蛋白質の折りたたみは、生物体内で複雑かつ未解決の問題である。多くの蛋白質はin vitro（体外）での折りたたみ速度が非常に遅く、生理条件での許容範囲をはるかに超えている。この課題に対処するために、ATP（アデノシン三リン酸）依存の分子シャペロン（chaperonins）が蛋白質の折りたたみを加速し、生理的に許容される時間内に完了すると考えられている。しかし、この能力がATP依存のシャペロンにのみ限られるかどうかは未解明である。本研究の核心は、他の分子がATP依存のシャペロンと同様に蛋白質の折りたたみを触媒し、細胞がより短時間で蛋白質の折りたたみを完了するのを助けるかどうかを探索することである。

G-四重鎖（G-quadruplexes, G4s）は、ギアニン（guanine）に富んだ核酸配列から形成される四連鎖構造であり、真核生物ではストレス条件下で形成され、ストレスが解消されると解離する。近年の研究では、G-四重鎖が蛋白質恒常性（proteostasis）において重要な役割を果たす可能性があることが示されているが、その具体的なメカニズムは明らかになっていない。本研究は、G-四重鎖が蛋白質の折りたたみを触媒するかどうかを探求し、その分子メカニズムを明らかにすることを目指している。

論文の出所

本論文はZijue Huang、Kingshuk Ghosh、Frederick StullおよびScott Horowitzによって共同で完成された。著者はそれぞれ、アメリカ・デンバー大学化学・生物化学科、Knoebel健康老化研究所、デンバー大学物理学科、およびウェスタンミシガン大学化学科に所属している。論文は2025年2月6日に『アメリカ国家科学院紀要』（PNAS）に掲載され、タイトルは「G-quadruplexes catalyze protein folding by reshaping the energetic landscape」である。本研究はアメリカ国立衛生研究所（NIH）とアメリカ科学財団（NSF）の支援を受けている。

研究プロセスと結果

1. G-四重鎖による蛋白質折りたたみの触媒作用

研究の核心は、G-四重鎖が蛋白質の折りたたみを触媒するかどうかを探索することである。研究チームは蛍光蛋白質tagRFP675を研究対象として選択し、G-四重鎖の存在と不存在の状況下での折りたたみと展開の動力学をin vitro実験で研究した。

• 蛋白質折りたたみ機構の研究：まず、研究チームはG-四重鎖のない条件下で、蛍光分光法を使用してtagRFP675の折りたたみ過程を観察した。実験結果によると、tagRFP675の折りたたみ過程には少なくとも一つの蛍光中間状態（i1）と最終的な天然状態（n）が含まれることがわかった。動力学モデルフィッティングを通じて、研究チームはtagRFP675の折りたたみ過程に非経路中間状態（i2）も存在することを発見した。これは、部分的な蛋白質が折りたたみ過程で「誤った経路」に「困」ることを示しており、折りたたみ速度が低下する原因となっている。

• G-四重鎖のトポロジー依存性：G-四重鎖のトポロジー構造がその触媒作用に与える影響を探索するために、研究チームは平行（parallel）、反平行（antiparallel）、および3+1混合（3+1 hybrid）構造のG-四重鎖がtagRFP675の折りたたみに及ぼす影響をそれぞれテストした。実験結果は、平行構造のG-四重鎖（seq576）が蛋白質折りたたみの促進作用が最も強く、反平行構造には有意な効果がないことを示した。

2. G-四重鎖が蛋白質折りたたみを触媒するメカニズム

• G-四重鎖と蛋白質の結合：G-四重鎖の存在下では、研究チームは動力学モデルフィッティングにより、蛋白質が折りたたみ過程でG-四重鎖と複合体（ug4、i1g4、ng4）を形成することを見出した。この「結合しながら折りたたむ」モードは、蛋白質の折りたたみ過程を大幅に加速し、非経路中間状態（i2）の形成を効果的に削減した。

• G-四重鎖の熱力学的影響：異なる温度で実験を行い、研究チームはEyring方程式を使用して蛋白質折りたたみ過程における熱力学パラメータ、つまり焓変（ΔH）、熵変（ΔS）、および自由エネルギー変化（ΔG）を計算した。実験結果は、G-四重鎖が蛋白質折りたたみパスの熱力学的駆動力を変え、折りたたみ過程を加速することを示した。特に、G-四重鎖は折りたたみ過程の熵壁（entropy barrier）を著しく低減し、中間状態から天然状態への転換を促進した。

研究の結論

本研究は初めて、G-四重鎖がATP非依存の分子として蛋白質折りたたみを触媒することが明らかになった。研究結果は、G-四重鎖が蛋白質折りたたみパスの熱力学的駆動力を変え、折りたたみ速度を加速し、非経路中間状態の形成を効果的に削減することを示している。この発見は、細胞内の蛋白質折りたたみの加速がATP依存のシャペロンだけでなく、G-四重鎖などの他の分子も重要な役割を果たす可能性があることを示唆している。

研究のハイライト

1. 新規メカニズムの発見：本研究は初めてG-四重鎖が蛋白質折りたたみを触媒することを証明し、従来のATP依存のシャペロンだけが折りたたみ加速機能を持つという考えを打破した。
2. トポロジー依存性：研究はG-四重鎖のトポロジー構造がその触媒作用に著しい影響を与えることを発見し、平行構造のG-四重鎖が最強の触媒効果を示した。
3. 熱力学的駆動の蛋白質折りたたみ：研究は熱力学解析を通じて、G-四重鎖がどのように蛋白質折りたたみパスの焓変と熵変を変えて、折りたたみ過程を加速するかを明らかにした。

応用価値と将来の展望

この研究は、細胞内の蛋白質折りたたみの複雑なメカニズムを理解する新たな視点を提供し、蛋白質折りたたみに関連する疾患の治療に新しいアイデアを提供する可能性がある。例えば、アルツハイマー病などの神経変性疾患は蛋白質の誤った折りたたみと密接に関連しており、G-四重鎖はこれらの疾患の治療の新しい標的となる可能性がある。さらに、研究は細胞内の核酸分子が全体的に蛋白質折りたたみ時間を制御する可能性を示しており、これが細胞内の蛋白質折りたたみ制御ネットワークの研究に重要な理論的基礎を提供する。

本研究の発見は、蛋白質折りたたみメカニズムの理解を拡張するだけでなく、新たな蛋白質折りたたみ制御ツールの開発の可能性も提供する。