パーキンソン病発症につながる「病態」タンパク質分子の異常なふるまいを発見

国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構
大阪大学
鳥取大学
J-PARCセンター
総合科学研究機構

パーキンソン病発症につながる「病態」タンパク質分子の異常なふるまいを発見
－発症のカギとなるタンパク質の線維状集合状態の形成過程解明の手がかりに－

発表のポイント

• パーキンソン病の発症に関係する脳内のタンパク質の動きを、中性子を利用した最先端の分析技術を用いて分子レベルで測定
• 病発症のカギとなる、タンパク質同士が線維状に集合した状態の異常なふるまいを発見
• パーキンソン病発症の仕組み解明の手がかりとなることに期待

国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構（理事長　平野俊夫。以下「量研機構」という。）量子ビーム科学研究部門高崎量子応用研究所東海量子ビーム応用研究センターの藤原悟上席研究員・松尾龍人主任研究員、大阪大学（総長　西尾章治郎）大学院医学系研究科の望月秀樹教授・荒木克哉医師、鳥取大学（学長　豊島良太）八木寿梓助教、J-PARCセンター（センター長　齊藤直人）柴田薫研究副主幹、総合科学研究機構（理事長　西谷隆義）山田武研究員らは共同で、中性子準弾性散乱¹⁾装置を用いて、パーキンソン病の発症と密接に関係する脳内のあるタンパク質の動きを分子レベルで調べ、このタンパク質同士が線維状に集合した状態で異常なふるまいを示すことを世界で初めて発見しました。
　パーキンソン病発症には、脳細胞中の「α-シヌクレイン²⁾」というタンパク質が線維状に集合した状態（「アミロイド線維³⁾」と呼ばれる）となることが関係すると考えられており、どのようなメカニズムでこのアミロイド線維が形成されるのかに強い関心が寄せられています。そこで研究チームは、タンパク質分子の「動きやすさ」に着目し、アミロイド線維状態とバラバラに存在する正常状態のタンパク質の動きを、J-PARC⁴⁾の中性子準弾性散乱装置を用いて調べました。その結果、アミロイド線維ではタンパク質同士が強く結合して動きが制限されているにもかかわらず、内部におけるタンパク質の原子の運動は正常な状態よりも大きくなる、つまり、アミロイド線維においては、正常状態よりもタンパク質が自由にふるまえることを明らかにしました。
　本成果は、アミロイド線維の形成が自然に進むことを示唆しており、パーキンソン病の発症のカギとなるアミロイド線維形成過程の解明の手がかりとなるだけでなく、タンパク質のアミロイド線維形成が関係する種々の疾病について、発症の仕組みの解明と、さらにその知見に基づく疾病の抑制に貢献することが期待されます。
　本研究成果は、オープンアクセスの国際雑誌「PLOS ONE」に、4月20日（米国東部標準時間）に掲載されました。

補足説明資料

研究開発の背景と目的

パーキンソン病は進行性の神経難病で、50～60歳代で発症することが多く、超高齢化社会を迎えた現在、その治療や予防は社会的にも重大な関心事です。パーキンソン病の患者の脳細胞には、「α-シヌクレイン」と呼ばれるタンパク質同士が線維状に集合した状態（アミロイド線維）が蓄積していることが知られています。このアミロイド線維の形成がパーキンソン病発症のカギとされています。パーキンソン病の発症の仕組みを探る上で、アミロイド線維がどのように形成されるかを解明する必要がありますが、残念ながら未だ解明されていません。
　「α-シヌクレイン」のアミロイド線維は、大腸菌に作らせたタンパク質を利用して人工的に作り出すことが可能です（図1）。本研究では、アミロイド線維形成の仕組みの手がかりを得るために、大腸菌に作らせた「α-シヌクレイン」を用いて、タンパク質分子一つ一つが単独で存在する正常な状態とアミロイド線維状態（図2）それぞれの性質を調べました。

図1. α-シヌクレインのアミロイド繊維

図2. 正常状態とアミロイド繊維状態のα-シヌクレイン

タンパク質内部の原子の位置は、厳密に固定された構造を持つのではなく、常にゆらいでいます。このゆらぎをもたらす運動が、タンパク質が機能する上で重要と言われています。アミロイド線維の形成には、このタンパク質の運動の変化が関係すると言われています。中性子準弾性散乱という実験手法により、タンパク質全体の運動やタンパク質内部の原子の運動を調べることができます。そこで、J-PARCの物質・生命科学実験施設において、正常状態およびアミロイド線維状態における「α-シヌクレイン」について、中性子準弾性散乱実験をおこないました（図3）。
　なお、測定に用いた試料の調製は大阪大学および鳥取大学が担当し、中性子準弾性散乱実験と解析は量研機構、J-PARCセンター、総合科学研究機構が担当しました。

図3. 中性子準弾性散乱を測定するダイナミクス解析装置（DNA）

研究の手法と成果

中性子準弾性散乱実験からは、タンパク質全体の運動とタンパク質内部の原子の運動の平均像を得ることができます。図4に、正常状態およびアミロイド線維における「α-シヌクレイン」全体の運動のしやすさを表す拡散係数を示します。タンパク質がアミロイド線維という集合状態、つまり大きな塊となることにより、予想どおり、拡散係数が小さくなりタンパク質全体の運動が大きく制限されることが分かります。一方、図5に示した、タンパク質内部の原子の運動の大きさは、正常状態では4Å（1Å＝0.1ナノメートル）程度ですが、アミロイド線維では逆に6Å程度と大きくなるという意外な事実が分かりました。つまり、集合状態において「α-シヌクレイン」内部の原子の運動の大きさが正常な状態に比べて大きくなるという、異常なふるまいを示すことが、中性子準弾性散乱によって世界で初めて観測されました。
　本成果は、タンパク質の集合状態という束縛された状態にもかかわらず、「α-シヌクレイン」内部の原子自体は正常状態よりも自由にふるまえることを示しています。これは、「α-シヌクレイン」はアミロイド線維中の方がむしろ安定であり、このためにアミロイド線維形成が自然に進む可能性を示唆しています。これはアミロイド線維形成の仕組み解明の大きな手がかりとなり、さらにその知見に基づく疾病の抑制につながると期待されます。

今後の期待

アミロイド線維は、「α-シヌクレイン」によるパーキンソン病に関係したもののみではなく、アルツハイマー病や家族性アミロイドポリニューロパチー⁵⁾をはじめとする種々の疾患発症に関係しています。今後、それぞれの疾病に関連するタンパク質のアミロイド線維について系統的に調べていくことで、アミロイド線維形成と疾病発症の根本的な関係の解明に繋がることが期待されます。
　また、本研究のもう一つの特色は、タンパク質の構造のゆらぎをもたらす運動に生じる異常と、疾病発症の原因とされるアミロイド線維などの異常な構造が、密接な関係にあることを示した点です。これは運動の異常を抑えることで異常な構造の形成を抑えることができる可能性を示しており、「タンパク質の運動の制御」という全く新しい考え方に基づく創薬につながっていくことが期待されます。

論文掲載情報

　本研究成果は、オープンアクセスの国際雑誌「PLOS ONE」に、4月20日2:00 PM（米国東部標準時）に掲載されました（http://dx.plos.org/10.1371/journal.pone.0151447）。
　論文タイトル：Dynamical behavior of human α-synuclein studied by quasielastic neutron scattering
　著者：S. Fujiwara, K. Araki, T. Matsuo, H. Yagi, T. Yamada, K. Shibata, and H. Mochizuki

用語解説

中性子準弾性散乱

中性子は、物質を構成する最小基本粒子のひとつである。加速器や研究用原子炉により発生させた中性子ビームを用いて、物質の様々な性質を調べることができる。中性子ビームを分子に当てると、分子に当たった中性子は散乱される。散乱された中性子は、分子とのエネルギーのやり取りのため、そのエネルギーが変化している。このエネルギー変化を伴う中性子の散乱を中性子準弾性散乱という。中性子ビームを分子に当て、準弾性散乱された中性子の方向やエネルギー変化を調べることにより、分子の運動の大きさや速さなどを解析することができる。

α-シヌクレイン

ヒト脳神経細胞の末端部に大量に存在するタンパク質で、脳細胞間の信号のやりとりを助ける働きがあると言われているが正確な機能はわかっていない。このタンパク質のアミロイド線維化が、パーキンソン病の発症と密接に関係すると言われている。

アミロイド線維

通常のタンパク質は、単独でバラバラに存在し、あるいはいくつかのタンパク質が正しく集まりきちんとした構造体を形成して、機能を発揮する。ところが、何らかの異常により、タンパク質同士が線維状に集合した状態となることがある。このタンパク質の線維状の異常な集合体をアミロイド線維という。パーキンソン病をはじめ、アルツハイマー病や全身性アミロイドーシスなど種々の疾病において、その患者の体内にアミロイド線維が沈着していることが報告されており、アミロイド線維形成とこれらの疾病の発症には密接な関係があると言われている。

J-PARC（大強度陽子加速器実験施設；Japan Proton Accelerator Research Complex）

日本原子力研究開発機構と高エネルギー加速器研究機構が共同で運営している加速器実験施設。陽子加速器群と、物質・生命科学実験施設、ニュートリノ実験施設、ハドロン実験施設の実験施設群から成り、物質科学、生命科学、素粒子物理、原子核物理など幅広い分野の研究が行われている。本研究では、物質・生命科学実験施設の中性子準弾性散乱装置を用いて実験を行った。

家族性アミロイドポリニューロパチー

血清中のタンパク質の変異により、全身の様々な臓器にアミロイド線維が沈着し、機能障害を起こす病気の一種で、神経障害を主な症状とするものをいう。種々の病型があるが、特にトランスサイレチンというタンパク質の変異が原因での発症が最も頻度が高い。