癌抑制タンパク質がポリユビキチン鎖を切断するメカニズム １．発表者： 深井周也（東京大学放射光連携研究機構 生命科学部門構造生物学研究室 准教授） 佐藤裕介（東京大学放射光連携研究機構 生命科学部門構造生物学研究室 助教） ２．発表のポイント： ◆癌抑制タンパク質 CYLD は、免疫応答の促進に関与する 2 種類のポリユビキチン鎖（注１） を切断して、過剰な免疫応答を抑える働きがあります。 ◆CYLD とポリユビキチン鎖とが結合した状態の立体構造を決定し、切断方法を解明しまし た。 ◆本成果は免疫応答や炎症反応、腫瘍形成の原因を解明する今後の研究に役立つ知見になる と期待されます。 ３．発表概要： 東京大学放射光連携研究機構の深井周也准教授らは、癌抑制タンパク質 CYLD が、免疫応答 の促進に関与する 2 種類のポリユビキチン鎖を切断する方法を、CYLD とポリユビキチン鎖と が結合した状態の立体構造を決定し、解明しました。 ポリユビキチン鎖（注１）とは、ユビキチン（注２）と呼ばれる小さなタンパク質が細胞内 でいくつもつながったもので、そのつながりかたの違いによって、制御される生体反応は異な ります。このつながりかたは、ユビキチンが次のユビキチンとどの場所でつながるかによって 異なり、8 種類のつながりかたがあります。このうち、先頭のメチオニン（Met1）でユビキチ ン同士がつながったポリユビキチン鎖や 63 番目のリジン（Lys63）でつながったポリユビキチ ン鎖は、CYLD により適切に切断されなければ、過剰な免疫応答を引き起こし、腫瘍形成や細 胞の癌化へと進展することが知られています。しかし、Met1 と、Lys63 とでつながったポリ ユビキチン鎖では、その構造は異なり、CYLD が双方をどのように区別して認識し、切断して いるのかは不明でした。 今回、深井周也准教授らは、CYLD と Met1 でつながったポリユビキチン鎖とが結合した状 態の立体構造および、CYLD と Lys63 でつながったポリユビキチン鎖とが結合した状態の立体 構造を決定することで、CYLD がそれぞれのポリユビキチン鎖に対応して構造を変化させて、 ポリユビキチン鎖を切断していることを明らかにしました。 免疫応答や炎症反応、腫瘍形成、細胞の癌化の原因を解明する今後の研究に役立つ知見にな ると期待されます。 本成果は、科学技術振興機構（JST）の戦略的創造研究推進事業チーム型研究（CREST）「ラ イフサイエンスの革新を目指した構造生命科学と先端的基盤技術」研究領域（田中啓二研究総 括）における研究課題「シナプス形成を誘導する膜受容体複合体と下流シグナルの構造生命科 学」（研究代表者：深井周也）の一環として行われました。 ４．発表内容： 研究の背景 酵母からヒトにいたる真核生物の細胞内では、76 個のアミノ酸がつながってできた小さなタ ンパク質であるユビキチンが、細胞内のさまざまなプロセスを制御しています（図１）。この ユビキチンは単独でも働きますが、ユビキチンがいくつも連なって形成されるポリユビキチン 鎖もまた、さまざまな生体反応において重要な情報伝達物質として働き、その機能と構造につ いての知見は近年大きな進歩を遂げています。ポリユビキチン鎖はユビキチンの C 末端のグリ シン残基と、別のユビキチンの N 末端アミノ基、もしくはリジン側鎖のアミノ基が共有結合を 形成することで合成されますが、ユビキチンにはポリユビキチン鎖の形成に使われる残基は 8 種類あり（Lys6, 11, 27, 29, 33, 48, 63 及び Met1）、使われる残基によって異なる機能を持ちま す（図１）。免疫・炎症反応の過程で多くの遺伝子の発現誘導に関わる NF-κB シグナル伝達経 路（注３）においては、Lys63 でつながったポリユビキチン鎖（Lys63 結合型ポリユビキチン鎖） と、Met1 でつながったポリユビキチン鎖（Met1 結合型ポリユビキチン鎖）がこの経路を活性 化する情報伝達物質として重要な役割を果たすことが明らかとなっています。一方、家族性円 柱腫症（注４）の原因遺伝子産物として同定された癌抑制タンパク質である CYLD は、Lys63 結合型ポリユビキチン鎖と Met1 結合型ポリユビキチン鎖だけを切断（選択的に切断）するこ とで NF-κB 経路の活性を抑え、転写を抑制します（図２）。したがって CYLD の機能解明は 癌や腫瘍抑制メカニズムの理解につながるものであり、 大きな注目を集めていました。 しかし、 CYLD の働きを理解する上で最も重要であると考えられるポリユビキチン鎖の選択的切断メカ ニズムの詳細についてはこれまで明らかにされていませんでした。 研究内容 深井周也准教授らは CYLD と Met1 結合型ポリユビキチン鎖とが結合した状態の結晶と、 CYLD と Lys63 結合型ポリユビキチン鎖とが結合した状態の結晶をそれぞれ作製し、それらの 立体構造を決定しました（図３）。今回作製したポリユビキチン鎖はユビキチンを 2 つつなげ た二量体で、2 つのユビキチンのうち、C 末端グリシンを使って別のユビキチンに結合してい る方のユビキチンを先端側ユビキチン、結合されている方のユビキチンを近傍側ユビキチンと 呼びます。Met1 結合型、Lys63 結合型のどちらの複合体でも、CYLD は先端側、近傍側ユビ キチンの形を同時に認識し、CYLD の 596 番目のシステイン（Cys596）がポリユビキチン鎖 をちょうど切断する位置にみつかりました。そして、CYLD は近傍側ユビキチンとの結合で、 ポリユビキチン鎖が Met1 結合型あるいは、Lys63 結合型であるかを認識して、切断している ことがわかりました。しかし、もちろん Met1 結合型と Lys63 結合型とでは、ユビキチン同士 のつながりかたが異なるため、近傍側ユビキチンの向きは Met1 結合型と Lys63 結合型で異な ります。しかし、非常に興味深いことに近傍側ユビキチンの向きが Met1 結合型と Lys63 結合 型で変わっても、CYLD だけに特別に存在する柔軟な領域が、両型の近傍側ユビキチンと相互 作用できるように変化し、それぞれのポリユビキチン鎖を切断できることが明らかになりまし た。これは、これまでには報告されていない、選択的にポリユビキチン鎖を認識する新規のメ カニズムです（図４）。 社会的意義 本研究では、癌抑制タンパク質 CYLD による、Met1 結合型および Lys63 結合型ポリユビキ チン鎖の選択的切断メカニズムを解明しました。8 種類存在するポリユビキチン鎖を生命がど のように識別しているのかを明らかにすることで、ポリユビキチン鎖の機能について理解を深 めることができます。また、本成果は免疫応答や炎症反応、腫瘍形成、細胞の癌化を解明する 今後の研究に役立つと期待されます。 ５．発表雑誌： 雑誌名：「Nature Structural & Molecular Biology」（発行予定日：２月１７日（日本時間）） 論文タイトル：Structures of CYLD USP with Met1- or Lys63-linked diubiquitin reveal mechanisms for dual specificity 著者：Yusuke Sato*, Eiji Goto, Yuri Shibata, Yuji Kubota, Atsushi Yamagata, Sakurako Goto-Ito, Keiko Kubota, Jun-ichiro Inoue, Mutsuhiro Takekawa, Fuminori Tokunaga and Shuya Fukai* DOI 番号：doi:10.1038/nsmb.2970 アブストラクト URL：未定 ６．注意事項： 日本時間２月１７日（火）午前１時 (英国時間：１６日（月）午後４時；米国東海岸時間：１ ６日（月）午前１１時)以前の公表は禁じられています。 ７．問い合わせ先：a 東京大学放射光連携研究機構生命科学部門構造生物学研究室 准教授 深井 周也（ふかい しゅうや） TEL:03-5841-7807 e-mail: [email protected] JST 事業に関する連絡先 科学技術振興機構 戦略研究推進部 川口 貴史（かわぐち たかふみ） 〒102-0076 東京都千代田区五番町７ Ｋ’s 五番町 TEL: 03-3512-3524 FAX: 03-3222-2064 e-mail: [email protected] ８．用語解説： 注１）ポリユビキチン鎖 複数のユビキチン（注２）がつながったタンパク質。ユビキチンはメチオニン、もしくはリジ ン残基に次々とつながって合成される。つながりかたが異なるポリユビキチン鎖が 8 種類存在 し、つながりかたによって機能と構造が大きく異なる。例えば、Lys48 でつながると不要にな ったタンパク質を分解し、Lys63 でつながると免疫応答の促進などを行う。 注２）ユビキチン 76 個のアミノ酸からなる小さなタンパク質で、C 末端のグリシンが標的のタンパク質と結合す ることで、さまざまな生体反応の目印となる。 注３）NF-κB（エヌエフ・カッパー・ビー） ストレスやサイトカインなどの刺激を受けると核内へと移行し、免疫応答などに関するさまざ まな遺伝子の転写を活性化する大型のタンパク質。 注４）家族性円柱腫症 常染色体優性遺伝による疾患で、円柱腫と呼ばれる良性腫瘍が主として頭皮に生じるもの。 ９．添付資料： 図１：ポリユビキチン鎖のモデル。ユビキチンはリジン（Lys）や先頭のメチオニン（Met1） のアミノ酸で次のユビキチンとつながり、ポリユビキチン鎖が作られる。ユビキチン同士がど のアミノ酸でつながるかによって、ポリユビキチンの機能と構造は大きく異なる。 図２：さまざまな刺激によりポリユビキチン鎖が合成され、免疫応答が起こる。CYLD はポリ ユビキチン鎖を切断することで過剰な免疫反応を抑え、腫瘍形成や癌化を抑制する。 図３：（左）CYLD と Met1 でつながったポリユビキチン鎖とが結合した状態、および（右） CYLD と Lys63 でつながったポリユビキチン鎖とが結合した状態の立体構造。どちらの構造で も CYLD（黄色）は先端側ユビキチン（緑）、近傍側ユビキチン（水色）と同時に結合し、切 断部分と 596 番目のシステイン（Cys596）が接近している。2 つの構造中で、近傍側ユビキチ ンの向きだけわずかに異なる。 図４：CYLD と、Met1 結合型および Lys63 結合型ポリユビキチン鎖とが結合した状態の模式 図。2 つの構造中で、近傍側ユビキチンの向きだけわずかに異なるが、CYLD だけに特別に存 在する柔軟な領域が、近傍側ユビキチンの向きが変わっても近傍側ユビキチンと常に結合して いる。このため、CYLD は Met 結合型と Lys63 結合型ポリユビキチン鎖のどちらも切断する ことができる。
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