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コレラ菌がタウリンに引き寄せられる仕組み
〜タウリンセンサーの発見とその働きの解明〜

2016年02月17日

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学校法人法政大学

法政大学生命科学部の川岸郁朗教授・西山宗一郎博士・山本健太郎大学院生らは、大阪大学理学研究科の今田勝巳教授・高橋洋平大学院生、名古屋大学理学研究科の本間道夫教授らとの共同研究により、コレラ菌の胆汁走性に関わる受容体(センサー)を発見し、その認識機構の詳細を明らかにしました。本研究成果は英国科学誌Natureの姉妹誌「Scientific Reports」のオンライン版で2016年2月16日 午前10時(英国時間)に公開されます。

【研究成果のポイント】

  • 胆汁の成分であるタウリンにコレラ菌を誘引する作用があることを発見
  • アミノ酸センサー蛋白質がタウリンを認識することを発見
  • センサーがタウリンを認識するしくみを原子レベルで解明
  • 細菌のセンサーが物質を認識する様子を生きたまま捉えることに世界で初めて成功

コレラは現在もなお発展途上国を中心に流行している感染症であり、原因となるコレラ菌の感染・病原メカニズムの解明は予防のためにも重要です。コレラ菌は河川や汽水域といった外界(低温・貧栄養)と人体内(高温・富栄養)という異なった環境を循環していると考えられています(図1)。

ひとたび人体に入り込むと腸内に定着し、コレラ毒素等の病原因子を作りはじめ、激しい下痢を引き起こします。この菌は、運動性をもつ多くのバクテリアと同様、べん毛とよばれるらせん状の繊維をスクリューのように回転させて水中を泳ぎ、より良い環境へと移動していく「走化性」を示します。この走化性は、コレラ菌をはじめとした多くの病原細菌で、外界での生存、感染時の生存/病原性発揮に関わっていることが示されています。本研究により、コレラ菌が胆汁成分中のタウリンに引き寄せられることが明らかになりました。

図1.コレラ菌の生活環および人体内で胆汁に誘引されるコレラ菌の概念図

コレラ菌が飲食物と共に摂取されると、最初に胃の酸、ついで胆汁にさらされます。胆汁は食物の脂質成分を乳化する界面活性剤としてはたらくため、細菌に対しても毒になりますが、コレラ菌は胆汁に耐性を示し、むしろ胆汁に引き寄せられる(誘引される)ことが知られています。本研究ではまず胆汁のさまざまな成分のうちコレラ菌を誘引するのは胆汁酸でなくタウリン であることをつきとめ、タウリン走性のためのセンサーとして多数ある走化性受容体のうちの一つ(Mlp37)を同定 しました。研究を進めた結果、このMlp37はタウリンに加え、セリンなど複数のアミノ酸も感じることができる多機能センサー であることが明らかになりました。

このMlp37のセンシングに関わる領域を大量精製し、等温滴定型カロリメトリー(ITC)を使って解析した結果、セリンやアラニンなどのアミノ酸やタウリンがこの受容体に直接結合することが分かりました。

図2.Mlp37の分子構造

(A)解析したMlp37の構造。2つのMlp37分子(黄色と緑色)が2量体を形成する。赤で囲った領域と黒で囲った領域は似ているが、赤で囲った領域にのみ誘引物質が結合。
(B)セリンを結合したMlp37の赤で囲った領域の拡大図。Mlp37をピンク色で表示。セリンはボールで表示。
(C)タウリンを結合したMlp37の赤で囲った領域の拡大図。Mlp37を黄色で表示。タウリンはボールモデルで表示。タウリンはセリンと同じ場所に結合。
(D)セリンを結合したMlp37を分子モデルで表示。灰色のボールがセリン。Mlp37に隙間があるため(黒矢印)、外からセリンが見える。
(E)タウリンを結合したMlp37を分子モデルで表示。灰色と赤のボールがタウリン。Mlp37に隙間があるため(黒矢印)、外からタウリンが見える。

図3.アミノ酸・タウリン走性受容体Mlp37にアラニン、セリン、タウリンが結合した構造

センサー側の構造をほとんど変えることなく、アラニン、セリン、タウリンという異なる物質を結合できることがわかる。

さらに、このMlp37とセリンおよびMlp37とタウリンの共結晶を作ることに成功 し、構造解析によりMlp37にセリンやタウリンが結合した状態の構造を解明することができました(図2)。アラニンが結合した構造(既知)と比較したところ、驚くべきことに、共通のポケット・共通のアミノ酸残基がほぼ同じ配置で異なる物質を結合(認識) することが明らかになりました(図3)。認識に関わる残基を置換した変異体では実際にタウリン走化性応答が低下 することも確認できました。

さらに、この構造情報をもとに、センサーへのアミノ酸結合を菌が生きたままの状態で可視化することに成功 しました(図4)。具体的には、Mlp37−蛍光タンパク質融合体と蛍光標識セリンを同時に使うことで、両者が共局在する、つまり結合している状態を観察しました。これによって、走化性センサーへの刺激入力を検出できる画期的なアッセイ法が確立されました。

図4.Mlp37に蛍光修飾セリンが結合したコレラ菌

赤い蛍光を発するMlp37を作るコレラ菌に緑色の蛍光物質で修飾したセリンが結合する様子の顕微鏡写真。左は赤色に光るMlp37。中央は緑色に光る蛍光修飾セリン。右は左と中央を重ねたもので、Mlp37の位置で蛍光修飾セリンが光っており、Mlp37に蛍光修飾セリンが結合していることを示す。

タウリンは、体内にも外環境にもにも豊富に存在します。外環境としては、とくに海産物に多く含まれます。そこで、体内と外環境で温度が大きく違うことに着目し、温度がコレラ菌の培養条件がタウリン走性に与える影響を検討しました。低温培養時と比較して37℃培養でタウリン応答が著しく増強 されたことから、タウリンに対する走性が宿主体内で要求される可能性が高まりました。体内に取り込まれたコレラ菌は腸内のタウリンやアミノ酸の多い場所へ寄り集まり、その後定着してコレラ毒素等の病原因子を作り始めると考えられます。

本研究は、多面的なアプローチを用いて、コレラ菌走化性センサーとタウリンやセリンなどの誘引物質の結合様式を明らかにした 画期的なものです。この基礎的研究の成果は、病原メカニズムに着目した新しいコンセプトの薬剤開発に繋がることが期待 されます。たとえば、コレラ菌のタウリン走性を攪乱し、菌の集合・定着を防ぐような薬剤ができれば、菌を殺すことがないため耐性菌を出現させることもなく、コレラの発症を抑えられる可能性があります。

掲載誌情報

Scientific Reports(英国Nature姉妹誌)
論文タイトル: Identification of a Vibrio cholerae chemoreceptor that senses taurine and amino acids as attractants
著者: So-ichiro Nishiyama¶, Yohei Takahashi¶, Kentaro Yamamoto¶, Daisuke Suzuki, Yasuaki Itoh, Kazumasa Sumita, Yumiko Uchida, Michio Homma, Katsumi Imada*, and Ikuro Kawagishi*
¶同等の貢献度、*代表著者

本件に関するお問合せ先

法政大学 生命科学部
教授 川岸 郁朗 (カワギシ イクロウ)
TEL: 042-387-6235
E-mail: ikurok@hosei.ac.jp

報道担当
法政大学 総長室広報課
TEL: 03-3264-9240
E-mail: koho@hosei.ac.jp

特記事項
本研究は、法政大学、大阪大学、名古屋大学が共同で行ったものです。本件は、大阪大学と名古屋大学においても同時に報道発表されます。