チアミンとプリオンタンパク質 Thiamin binds prion protein

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チアミンとプリオンタンパク質
Thiamin binds prion protein
チアミンは，ヒトや高等動物では体内で生合成され
抗体，PrP SC 変性などに着目した様々な研究が行われ
ない水溶性ビタミンであり，外界から摂取しなければ
ている．しかしながら，PrP C の生理機能ですら不明で
ならない必須の栄養素である．チアミンの最も重要な
あるため，確立された治療法，ワクチンなどは存在し
機能は補酵素としての作用である．補酵素の本体はチ
ないのが現状である．
アミンのリン酸誘導体であるチアミン二リン酸（TDP）
PrP と結合するリガンドについては，特に PrP と銅
であり，脱炭酸反応並びにケトール基転移反応に寄与
し，糖代謝において重要な役割を果たす 1）2）．
イオンに関する報告が数多く存在し 5）6），その解離定
数 KD 値は数 fmol/L であることが知られている．結合
チアミンが様々な疾患に関与していることは周知の
部位の構造に関しても，N 末端のアミノ酸配列が P（Q/
事実である．栄養学的チアミン欠乏症では，多発性神
H）GGG（G/−）WGQ の 5 回繰り返し配列オクタリピー
経炎（乾性脚気），うっ血性心不全（湿性脚気）といっ
ト領域であることが明らかにされている 7）．また，PrP
た末梢神経症状を呈する．アルコール誘発性チアミン
の外因性リガンドとして，テトラサイクリン 8），シン
欠乏症では，多くの場合で多発性神経炎も併発するが，
バスタチン 9）などが知られているが，生体内における
ウェルニッケ−コルサコフ症候群など主に中枢神経系
金属イオン以外の低分子リガンドに関する報告はほと
2）
に影響を与える．これらの神経症状発現にはチアミ
んど存在しない．近年，新たな知見として，PrP とチ
ンの補酵素以外の作用が関与すると考えられている
アミンの結合に関する報告がなされたので以下に紹介
が，詳細は明らかにされていない．
する．
プリオン（PrP：preteinaceoys infectious particle）は，
Rolando ら 10）は，一次元 NMR 並びに表面プラズモ
動物の膜タンパク質（GPI アンカー型タンパク質）の 1
ン共鳴（SPR）法を用いて，物質間相互作用を解析し，
つであり，脳，脊髄，心臓，腎臓，肺，白血球，リン
パ節など，広範に発現しており，とりわけ脊椎動物の
チアミンが PrP の特異的リガンドであることを明らか
にした．彼らは，PrP に対するチアミンの KD 値をシュ
神経細胞に多く存在する．正常プリオンタンパク質
テルンフォルマーの式で算出し，生物種（ヒト，マウ
C
（PrP ：Cell prion protein）は，その生理機能に関しては，
スおよびハムスター），pH，銅などの影響はなく，い
銅の代謝制御や活性酸素消去などに関与するとの報告
もあるが，明確にされていない．一方，異常プリオン
ずれの条件においても約 60μmol/L であることを報告
した（表 1）．銅イオンの KD 値は 8 ∼ 44 fmol/L6）であ
タンパク質（PrP SC：Scrapie prion protein）は，プリオン
るため，チアミンと PrP の結合は銅イオンと比較して
病の原因タンパク質として知られている．プリオン病
かなり弱いが，チアミンは銅イオンと異なる部位に結
は伝達性海綿状脳症（TSE）ともいわれ，中枢神経系に
合することが判明した．銅などの金属は N 末端のオク
おいて神経細胞変性をおこす致死性の疾患であり，ク
タリピート領域の 29 と 98 残基の間に位置するが，
ロイツフェルト・ヤコブ病（CJD）や家族性致死性不眠
症（FFI）ウシ海綿状脳症，ヒツジやヤギのスクレイピー
Rolando らは 1H-15N NMR 法とコンピュータシミュレー
ションによる in silico ドッキングスタディにより，PrP
などがある．
に対するチアミンの結合部位を推定し，シリアンハム
C
プリオン病の発症メカニズムは，PrP が β-sheet 構
スター（Syrian hamster）PrP（90-232）ではアミノ酸残基
造を豊富に含むプロテアーゼ難分解性の変性タンパク
の Trp145，Tyr149 および Tyr150 が作用することを示
質 PrP SC に変化し，脳内に蓄積することによると考え
した（図 1）．また，チアミンリン酸エステルであるチ
られている 3）4）．PrP C の減少により細胞機能が障害さ
アミン一リン酸（TMP）や TDP も，PrP と結合するこ
SC
が細胞毒性をもた
とを明らかにした（表 1）．チアミンや TMP 及び TDP
らしているのか定かではないが，これらの仮説に基づ
が PrP と結合することによりもたらされる生理機能に
れるのか，細胞内に蓄積した PrP
C
き，治療薬開発を目的として PrP 分解酵素や抗 PrP
ついては明らかにされていないが，Rolando らは PrP
12 号（12 月）2014〕
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4000 コピー，中枢において 50,000 コピー発現すると
されており 11），糖代謝が盛んな組織に分布している．
TDP は糖代謝に必須の補酵素であるため，これらの組
織に高い濃度で存在する．すなわち，糖代謝が活発な
組織における PrP 発現量とチアミン濃度は相関関係に
あると推察される 12）．このことからも，PrP がチアミ
ンの濃度調節に関与している可能性は高いと考えられ
る．
Roland ら 10）は，PrP に対してチアミンおよびチアミ
ンリン酸エステルが同程度の結合活性を有することを
報告したが，その理由は明らかにしていない．これに
関して Pagadala ら 13）は，PrP とチアミンおよびチアミ
ンリン酸エステルの結合に関与する水分子の相互作用
図 1 チアミンと Syrian hamster PrP（90-232）の結合
図は，Research Collaboratory For Structural Bioinformatics Protein Data Bank（RCSB PDB）より PDB：2LH8 のデータを引
用し，PyMOL（www.pymol.org）を用いて作成した．
について詳細に検討した．NMR は分子間相互作用の
解析に有効な手段であるが，PrP とチアミンの結合に
対する水分子の分子間相互作用に関しては，NMR を
用いて解析できなかった．また，他のチアミン結合タ
ンパク質（ピロホスホキナーゼ，ピルビン酸デヒドロ
とチアミンの結合が生体内でのチアミン濃度調節に重
ゲナーゼ複合体，ヒトトランスケトラーゼなど）では，
要な役割を果たす可能性を論じている．KD 値が約 60
水分子の相互作用については X 線結晶構造解析が用い
μmol/L であることについて，PrP が組織でのチアミン
られていたが，天然の PrP はアイソフォームが存在す
濃度を調節する役割を担うとすれば，ある程度弱い結
合であるほうがチアミンは細胞内へ吸収されて，利用
るため高分解能の X 線回折を生じる結晶を得ることが
困難であった．そこで，Pagadala ら 13）は，in silico ドッ
されやすいと述べている．一方で，実験で用いた PrP
キングスタディによって水分子の影響を検討した．そ
は精製された膜タンパクであり生体内の環境（脂質二
の結果，チアミンは他のチアミン結合タンパク質結合
重層やタンパク質間相互作用）を考慮すると，得られ
時と同様のドッキング構造を示し，チアミンのリン酸
た結果よりも生体内では強く結合する可能性があると
基部位と Asp147，Arg151 などの荷電性アミノ酸側鎖
も考察している．いずれにせよ，チアミンと PrP が結
間での水素結合に水分子が関与することが明らかと
合することは間違いない．
なった．さらに，チアミンのピリミジン環と Tyr150 と
PrP は，末梢組織や臓器において細胞あたり 2000 ∼
のπ-πスタッキング相互作用が結合に関与すること
表 1 チアミンと PrP の親和性（Roland ら 10）の表 1 を改変）
PrP construct
KD（mol/L）
Thiamin
huPrP
（23-230）
62.11×10−6
Thiamin
moPrP
（90-231）
58.82×10−6
Thiamin
shPrP
（90-232）
65.36×10−6
Thiamin
shPrP
（29-232）
66.66×10−6
Thiamin monophosphate
shPrP
（29-232）
72.72×10−6
Thiamin ＋CuCl2
moPrP
（90-232）
56.82×10−6
Thiamin monophosphate ＋CuCl2
moPrP
（90-232）
65.79×10−6
Thiamin diphosphate ＋CuCl2
moPrP
（90-232）
59.88×10−6
Thiamin（pH 6.0）
shPrP（90-232）
67.71×10−6
Thiamin（pH 8.0）
shPrP（90-232）
68.90×10−6
Ligand and Experiment condition
hu:human, mo:mouse, sh:syrian hamster
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が示唆された．これらの結果から，PrP とチアミンリ
文献
ン酸エステルの結合の安定化に，水分子やπ - πスタッ
キング相互作用が寄与することが明らかになった．し
1）山田和子，田鶴谷惠子，野坂和人，渭原博，橋詰直孝，栗
かし，水分子の相互作用は結合に影響を与えるほど大
山勝，竹内亨（2010）ビタミン B1．ビタミン総合辞典．pp.
きくないため，リン酸基の有無に関わらず同程度の解
離定数を示すという Roland ら 10）の報告と一致する．
チアミンと PrP が結合することで如何なる生理作用
をもたらすかについては不明である．しかし，Roland
ら 10），Pagadala ら 13）の報告により，チアミンは PrP と
結合すること，生体内で PrP はチアミンと緩やかに結
合し，チアミン濃度調節に関与する可能性が示された．
生体内におけるチアミン濃度については，微生物や植
物において，リボスイッチにより厳密に調節されてい
るが，ヒトではどのように制御されているのか明確に
されておらず，PrP の関与があるのか否かについては
興味深い．また，チアミンあるいはそのリン酸エステ
ルが PrPC の安定化に寄与し，PrPSC への構造変化を抑
152-182，朝倉書店，東京
2）田鶴谷（村山）惠子，廣村信，山元誉子（2014）チアミン．最
新栄養学第 10 版（木村修一，古野純典翻訳監修）．
pp. 232-243，建帛社，東京
3）Prusiner SB (1982) Novel proteinaceous infectious particles cause
scrapie. Science 216, 136-144
4）Prusiner SB (1998) Prions. Proc Natl Acad Sci U S A 95, 1336313383
5）Cox DL, Pan J, Singh RR (2006) A mechanism for copper inhibition of infectious prion conversion. Biophys J 91, L11-13
6）Jackson GS, Murray I, Hosszu LL, Gibbs N, Waltho JP, Clarke
AR, Collinge J (2001) Location and properties of metal-binding
sites on the human prion protein. Proc Natl Acad Sci U S A 98,
8531-8535
7）Brown DR, Qin K, Herms JW, Madlung A, Manson J, Strome R,
制する機能を有するならば，プリオン病の治療薬にな
Fraser PE, Kruck T, von Bohlen A, Schulz-Schaeffer W, Giese A,
り得る可能性も考えられる．さらに，ヒト病態時の
Westaway D, Kretzschmar H (1997) The cellular prion protein
PrP とチアミンの挙動が明らかになれば大変興味深い．
PrP に関する研究は進捗しており，チアミンと PrP に
関する新たな知見が報告されることを期待する．
binds copper in vivo. Nature 390, 684-687
8）Tagliavini F, Forloni G, Colombo L, Rossi G, Girola L, Canciani B,
Angeretti N, Giampaolo L, Peressini E, Awan T, De Gioia L, Ragg
E, Bugiani O, Salmona M (2000) Tetracycline affects abnormal
properties of synthetic PrP peptides and PrP(Sc) in vitro. J Mol
Key Words：thiamin, thiamin derivative, prion protein,
structural analysis, in silico
Biol 300, 1309-1322
9）Mok SW, Thelen KM, Riemer C, Bamme T, Gültner S, Lütjohann
D, Baier M (2006) Simvastatin prolongs survival times in prion
Daiichi College of Pharmacy,
Yasuko Yamamoto, Makoto Hiromura,
Keiko Tazuya-Murayama
第一薬科大学
山元誉子，廣村信，田鶴谷（村山）恵子
infections of the central nervous system. Biochem Biophys Res
Commun 348, 697-702
10）Perez-Pineiro R, Bjorndahl TC, Berjanskii MV, Hau D, Li L,
Huang A, Lee R, Gibbs E, Ladner C, Dong YW, Abera A, Cashman NR, Wishart DS (2011) The prion protein binds thiamine.
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11）Tichopad A, PfafÀ MW, Didier A (2003) Tissue-speci¿c expression pattern of bovine prion gene: quanti¿cation using real-time
RT-PCR. Mol Cell Probes 17, 5-10
12）Wilhelm Friedrich (1988) Thiamin, Vitamin B1, Aneurin, Vitamins. pp.369, Walter de Gruyter & Co., Berlin
13）Pagadala NS, Bjorndahl TC, Blinov N, Kovalenko A, Wishart DS
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