受容体がシグナルを伝える様子をミクロで視る

志甫谷 渉(生物科学専攻 助教)

濡木 理(生物科学専攻 教授)

 


アドレナリンはβ受容体を活性化することで交感神経を刺激し,心拍数や血圧を上昇させる。β 受容体はGタンパク質共役受容体であり,細胞外に面したポケットでアドレナリンを受容することで構造変化をおこす。その結果,細胞内に存在するGタンパク質を活性化できるようになり,細胞膜を超えた情報伝達が可能になっている。

β受容体にはβ1–3の3種類が存在しており,β1やβ2を標的とした薬剤は心臓病や喘息の代表的な薬になっている。一方,β3受容体は脂肪細胞に多く発現しており,熱産生や脂肪分解を担う。β3受容体の遺伝子の多型は基礎代謝を下げ太りやすくするため,倹約遺伝子として有名であり,日本人の3人に1人がこの変異をもつ。β3受容体は膀胱の平滑筋弛緩に関与しており,β3受容体選択的刺激薬であるミラベグロン(製品名 ベニダス)が過活動膀胱の治療薬になっている。 β1–3受容体はそれぞれ異なる生理作用を示すため,薬剤の各受容体への選択性が副作用の低減に重要である。これまでβ1やβ2受容体の研究は進んでおり,原子レベルの構造も次々と解明され,薬の作用機序がわかっていた。しかしながら,β3受容体の立体構造だけは未解明であり,β受容体刺激薬の選択性への理解も限られたものだった。

そこで私たちはミラベグロンがなぜβ3受容体選択的に活性化できるのか解明すべく,その立体構造を決定した。私たちはβ3受容体タンパク質を大量に作り,ミラベグロンが結合した状態で高純度に精製した。さらに,三量体Gsタンパク質を混合し分離することで,Gタンパク質を活性化しているシグナル伝達複合体を調整した。複合体を薄い氷に閉じ込めたグリッドを作製し,低温電子顕微鏡によって撮影した。撮影した画像から40万粒子の画像を抽出し,単粒子解析と呼ばれる手法によってシグナル伝達複合体の構造決定に成功した(図右)。

(右)β3受容体のシグナル伝達複合体の全体構造:左が単粒子解析によって得られた密度マップ。右が密度マップに基づいてモデリングしたシグナル伝達複合体の立体構造。(左)β受容体の構造比較:β1,β2,β3受容体とそれぞれの受容体選択的な薬剤が結合した構造を比較している。  

β3受容体の薬剤結合ポケットは細胞膜に対して垂直に伸びており,細長い形状であるミラベグロンはポケットにうまくはまり込んでいた(図左)。 β3受容体の薬剤結合ポケットの入口はβ1やβ2受容体と比べてせまく, 入り口を構成するアミノ酸残基のβ受容体間での保存性も低かった。ミラベグロンはβ3受容体の狭い薬剤結合ポケットにはまり込むことで高い親和性で結合でき,入口が開いているβ1やβ2受容体には上手く結合できない。逆に,β1やβ2選択的刺激薬ではせまいβ3受容体の薬剤結合ポケットと立体障害をおこしてしまう。このポケットの形の違いが,ミラべグロンのβ3受容体選択性に重要であるこが明らかになった。全てのβ受容体の立体構造が明らかになったことで,各受容体への選択性をより高めた,副作用の少ないβ受容体標的薬の創製が期待される。

本研究成果は, C.Nagiri et al.Molecular Cell  81,3205(2021) に掲載された。

(2021年7月27日プレスリリース)

理学部ニュース2021年11月号掲載


 

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