タンパク質は単独で作用することは稀ですが、むしろ相互作用してさまざまな細胞機能を果たします。
これらのタンパク質間の相互作用を研究することで、幅広い生物学的プロセスに関する重要な知見を得ることができます。
タンパク質の相互作用の重要性
タンパク質は細胞内のほとんどの生物学的プロセスを促進します。これには、遺伝子発現、細胞成長、増殖、栄養摂取、形態、運動性、細胞間コミュニケーション、アポトーシスなどが含まれます。
タンパク質の発現は、さまざまな刺激に反応する動的なプロセスです。特定のタンパク質は、特定のタスクのために必ずしも発現または活性化されるとは限りません。また、細胞はタンパク質の発現にばらつきがあるため、、適切な生物学的文脈におけるタンパク質機能の研究が複雑になる可能性があります。しかし、慎重な調査と分析により、これらの課題を克服することができます。
1990年代後半以前は、タンパク質の機能解析は主に個々のタンパク質に焦点を当てていました。しかし、ほとんどのタンパク質は機能するために他のタンパク質と相互作用しなければならないため、相互作用するパートナーとの関連において研究する必要があります。ヒトゲノムの公開とプロテオミクスの開発により、細胞内でのそれらの機能を理解するためには、タンパク質の相互作用を理解し、生物学的ネットワークを特定することが不可欠となっています。
さまざまなタイプのタンパク質の相互作用
重要なタンパク質の相互作用のタイプは次のとおりです。
- タンパク質とリガンドの相互作用
- タンパク質とDNAの相互作用
- タンパク質間の相互作用(PPI)
タンパク質間の相互作用では、細胞内で特定の機能を果たすためにタンパク質同士が相互作用します。
タンパク質間の相互作用を研究する理由
ほとんどすべての生物学的プロセスには1つ以上のPPIが関与しているため、これらの相互作用を研究することは、以下のようなプロセス内の分子メカニズムの相互作用を理解するのに役立ちます。
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- 細胞シグナル伝達
- 細胞増殖、分化、アポトーシスなどの多くの生物学的プロセスは、タンパク質間の相互作用を含む複雑なシグナル伝達ネットワークによって制御されています。これらの相互作用を研究することで、研究者はがんなどの病気に関与するシグナル伝達経路を理解し、これらの経路を破壊または調節する標的治療を開発することができます。
- 酵素活性
- 酵素は他のタンパク質と複合体で機能することが多く、そこではタンパク質間の相互作用が触媒作用に不可欠です。これらの相互作用を理解することで、酵素調節、基質特異性、代謝経路が明らかになり、創薬や代謝工学に役立てることができます。
- 遺伝子調節
- 転写因子と調節タンパク質は、複合体を形成して遺伝子発現を制御することが多くあります。遺伝子調節に関与するタンパク質間の相互作用を研究することで、転写制御における重要な役割を明らかにし、糖尿病や神経変性疾患などの遺伝子発現調節不全に関連する疾患に関する知見を得ることができます。
- タンパク質輸送と局在化
- タンパク質間の相互作用は、細胞内のタンパク質輸送と局在を支配します。これらの相互作用を解読することで、研究者は、細胞の恒常性と機能に不可欠なオルガネラ標的、小胞輸送、タンパク質選別のメカニズムを解明することができます。
- 構造生物学
- タンパク質間の相互作用は、特定の構造と機能を持つ高分子複合体の集合に寄与しています。X線結晶構造解析法や低温電子顕微鏡などの技術を用いて、これらの複合体の構造を決定することができます。これらの解析は、それらの作用メカニズムに関する原子レベルの洞察を提供し、合理的薬物設計を支持します。
- 疾患発症メカニズム
- タンパク質間の相互作用の機能不全は、神経変性疾患、自己免疫疾患、感染症など、多くの疾患に関係しています。これらの相互作用を研究することで、研究者は潜在的な治療標的を特定し、有害な相互作用を破壊したり、有益な相互作用を安定させたりする薬を開発することができます。
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タンパク質間の相互作用の測定方法
タンパク質間の相互作用はいくつかの実験手法で研究することができ、それぞれに独自の利点と制限があります。これらの研究から得られる知見は、選択した分析方法によって異なります。
最も広く使用されているPPI分析方法には、以下のものがあります(すべてではありません)。
| 実験方法 | 説明 | Malvern Panalytical装置 |
|---|---|---|
| 核磁気共鳴(NMR)分光法 | NMR分光法は、原子レベルの構造情報を提供し、結合時のタンパク質構造変化の詳細を明らかにします。 | -- |
| タンデムアフィニティ精製-質量分析(TAP-MS) | TAPは、タンパク質間の相互作用をマッピングするために質量分析計(MS)上で実行できる精製タンパク質複合体を提供します。 | -- |
| グレーティング結合干渉法(GCI) | このラベルフリー、リアルタイム、表面ベースの技術により、研究者は高速かつ正確にカイネティクス速度を測定し、親和性を決定して、生体液などの粗サンプル中の相互作用検体の濃度が低くても監視できるようになります。 | |
| 表面プラズモン共鳴(SPR) | SPRは、センサチップ表面でのタンパク質相互作用をリアルタイムで監視することができ、結合速度と親和性を正確に測定することができます。SPRは、比較的少量の物質を使用するラベルフリー技術です。これにより、タンパク質の相互作用の正確かつ高精度な分析が可能になります。 | -- |
| 等温滴定型カロリメトリー(ITC) | ITCは結合反応が起こっている間の発熱または吸熱を測定し、相互作用メカニズムを理解するための重要な熱力学的情報を提供します。 | |
| 隣接技術： | ||
| 示差走査型カロリメトリー(DSC) | DSCはタンパク質の熱安定性を測定し、安定性試験、生物学的類似性評価、バッチ間比較評価に有用です。DSCは、一定間隔で温度を上昇させることによって生じる分子の変性の熱変化を監視することで、熱安定性を測定します。 | |
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電気泳動光散乱(ELS)
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ELSは粒子の移動度と電荷を測定します。DLSは、直径サブナノメートルから数マイクロメートルまでの分散系の粒子径分布を測定します。これらの技術を組み合わせることで、タンパク質間の相互作用のより包括的な概要が得られ、特定の分子間相互作用を標的とした介入を開発するのに役立ちます。 | |
ラベルフリーの分子間相互作用解析装置 MicroCal ITCシリーズ
溶液中の生体分子間相互作用の機能とメカニズムを分子レベルで理解するため、結合親和性と熱力学的パラメータを蛍光標識、または固定化などによる結合パートナー...
溶液中の生体分子熱安定性解析装置 MicroCal DSCシリーズ
溶液中の生体分子の熱安定性を、高感度、かつ高い再現性で評価できる示差走査熱量測定装置です。温度制御された状況下で、生体分子中の変性に伴って起こる極めて...
Malvern Panalyticalの装置を使用して測定したタンパク質間の相互作用の例
Malvern Panalyticalの装置は、PPIを分析するいくつかの研究で使用されています。いくつかの例を以下に示します。
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- 植物膜受容体キナーゼ
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WAVEsystemを用いたグレーティング結合干渉法(GCI)は、いくつかの植物受容体とそのリガンドの結合、およびコレセプター(SERK3)の役割を調べるために使用されました。個々の受容体がそれぞれのリガンドに対して大きく異なる結合親和性を持つのに対し、SERK3細胞外ドメインは類似の結合速度を持つリガンド関連受容体に結合します。
- サイトカインとその模倣体
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WAVEsystemを用いたGCIは、薬物標的として注目されることの多い細胞表面受容体の合成的に生成された「受容体模倣」との相互作用を解析するために使用されました。
- 電位依存性カルシウムチャンネル(Cav)相互作用
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MicroCalの等温滴定型カロリメトリー(ITC)により、タンパク質の骨格を変えることが電位依存性カルシウムチャンネルにおけるタンパク質間の相互作用を変えることができることが実証されました。
- タンパク質間相互作用ペプチド系阻害剤(ITC)
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本論文では、タンパク質間相互作用を阻害する拘束性ペプチドの特性を調べるために、他の技術とともにITCを使用する方法について検討しました。
