シャペロン

シャペロン：タンパク質の折りたたみと品質管理を支える分子

はじめに

シャペロンは、タンパク質が正しく折りたたまれ、機能を発揮するために不可欠なタンパク質群です。その名前は、若い女性を社交界にデビューさせる際に付き添う年上の女性に由来し、タンパク質の機能獲得をデビューになぞらえています。シャペロンは、折りたたまれていないタンパク質に結合し、正しい立体構造へと導く役割を果たします。

シャペロンの機能

シャペロンの主な機能は、タンパク質のフォールディング補助です。タンパク質はアミノ酸配列情報に基づき立体構造を形成しますが、シャペロンはその過程で適切な折りたたみ方を促し、誤った折りたたみを防ぎます。フォールディングが完了すると、シャペロンはタンパク質から離れ、その構造の一部にはなりません。シャペロンは、最終的なタンパク質構造を決定するのではなく、正しく折りたたまれるための環境を提供することにより、タンパク質の品質管理に貢献します。

シャペロンの機能はフォールディング補助にとどまりません。タンパク質複合体の形成、細胞内輸送、誤って折りたたまれたタンパク質の再折りたたみ（リフォールディング）、タンパク質凝集の抑制など、多岐にわたる役割を担っています。これらの機能は、細胞の恒常性維持に不可欠であり、シャペロンの異常は代謝異常、腫瘍形成、神経変性疾患、心血管障害など、様々な疾患と関連していると考えられています。

熱ショック応答と低温ショック応答

多くのシャペロンは、熱ショックタンパク質（HSP）として知られ、高温によってタンパク質が変性するのを防ぎ、適切な折りたたみを行う役割を担います。HSPには、Small HSPs、HSP40、HSP60、HSP70、HSP90、HSP100など様々な種類があります。

一方、低温下でのタンパク質合成を維持する役割を持つ低温ショックタンパク質（Csp）も存在します。Cspは、低温によってRNAに形成される余分な二次構造を解消し、遺伝子発現を促進します。

新生タンパク質のフォールディング

リボソームで合成されたばかりの新生タンパク質は、疎水性アミノ酸残基が露出しており、細胞内で誤った折りたたみをしてしまう危険性があります。シャペロンは、この疎水性領域を覆い隠し、適切な折りたたみが行われるまで保護する役割を果たします。誤った折りたたみはタンパク質の凝集を引き起こし、プリオン病やアルツハイマー病などの疾患の原因となる可能性があります。

大腸菌では、トリガー因子と呼ばれる特殊なシャペロンがリボソームと結合し、新生タンパク質を直接捕捉し、フォールディングを補助します。

ヒストンシャペロン

ヒストンシャペロンは、ヒストンタンパク質とDNAの結合を制御し、クロマチン構造の維持に関わります。転写の際にヒストンが一時的にDNAから離れると、クロマチン構造が不安定化しますが、ヒストンシャペロンは、転写後、ヒストンをDNAに戻し、クロマチン構造を安定化させる役割を果たします。

細菌におけるシャペロン

真正細菌では、GroEL/GroES複合体が代表的なシャペロンとして機能します。GroELは樽状の構造をしており、その内部でタンパク質のフォールディングが促進されます。GroESはGroELの補助因子として機能し、ATPの加水分解エネルギーを用いて、GroEL内部の疎水性環境を親水性に変換することで、フォールディング完了したタンパク質を放出します。

古細菌では、Hsp60がGroELに相当するシャペロンとして機能します。真核生物は、細胞質には古細菌由来のシャペロニン、オルガネラには真正細菌由来のシャペロニンを持つなど、多様なシャペロン系を備えています。

分子内シャペロン

分子内シャペロンは、タンパク質分子自体の一部として存在し、折りたたみ過程を補助した後、切断されるアミノ酸配列です。

シャペロン研究の歴史

1978年、LaskeyらがヒストンとDNAの相互作用を制御するヌクレオプラスミンを分子シャペロンとして報告したのが始まりです。当初は、タンパク質のフォールディングはアミノ酸配列のみで決定されると考えられていましたが（アンフィンセンのドグマ）、1980年代以降、熱ショックタンパク質の発見や、植物におけるルビスコサブユニットのフォールディングを補助するタンパク質の発見などを通して、シャペロンの重要性が明らかになり、その研究が進展しました。

結論

シャペロンは、タンパク質の折りたたみ、品質管理、細胞機能維持に必須の分子群です。様々な種類のシャペロンが存在し、それぞれが特異的な機能を担っていますが、その詳細な機能については未だ不明な点も多いです。今後、更なる研究を通して、シャペロンの多様な役割が明らかになることが期待されます。

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