中井 忠志

なかい ただし

中井 忠志 Tadashi Nakai

生命学部 食品生命科学科 准教授
出身:大阪府大阪狭山市(大阪府立富田林高等学校)
t.nakai.wj@it-hiroshima.ac.jp

X線で酵素の構造を徹底的に解析。病気の克服や身体機能の改善に貢献したい。

ほどよいお酒は人を心地よくさせるもの。ですが中には、1杯だけで顔が真っ赤になってしまったり、全く飲めないという人もいます。実は、これは酵素の働きが関係しているのです。酵素は、体に入ったアルコールをアルデヒドに、そして酢酸に分解するそれぞれの段階で関わっています。お酒があまり飲めないとか全く受け付けないのは、酵素がうまく働いていないという理由が大きいのです。中井先生は、生体内で働くそうしたさまざまな酵素を研究しています。

ナノメートルのスケールで酵素の構造や機能が分かる。

食べ物を消化したり、呼吸によって酸素を体内に取り入れたり、筋肉を動かしたり、と私たちはさまざまな生命活動を行います。生体内で起こるこれらの化学反応には、すべて酵素が関わっています。ちなみにビールやワイン、パンを作るにも酵素は不可欠。それほど酵素とは私たちに身近な存在なのです。
酵素の主成分はタンパク質であり、タンパク質は20種類のアミノ酸の結合によって作り出されます。これらが遺伝子の設計図通りに構成されていれば問題はないのですが、時にはアミノ酸の配列が変わっていたり、あるべき分子が欠損しているケースもあります。これら変異が入ると、酵素がうまく機能しません。これが病気の原因となることがあるのです。
私は酵素を対象に「X線結晶構造解析」という手法で、その形状や構造、機能を徹底的に調べています。酵素における変異が身体機能をどう阻害するのか分かれば、病気を克服する手段も見つかるかもしれません。X線結晶構造解析だと、ナノメートルの単位まで分かります。顕微鏡ではとても追いかけられない世界まで見ることができるので、酵素を構成するタンパク質の立体構造まで解析できます。

酵素におけるほんのわずかな変異が、重い病気につながる。

グリシンというアミノ酸があります。ほのかな甘みとうま味、静菌作用があるためコンビニのおにぎりなどの食品添加物にも利用されるものです。このグリシンが体内に入ると、グリシン開裂系と呼ばれるシステムが働き始めます。グリシン開裂系ではT-タンパク質、P-タンパク質、L-タンパク質という3つの酵素が働き、複合的に作用することで、最終的にグリシンを分解します。
ところが、グリシンをうまく分解できない「高グリシン血症」という病気を抱える人がいます。血液や脳に溜まったグリシンが原因となって痙攣や意識障害、呼吸障害などを引き起こし、死につながるケースもあるほどです。
なぜグリシンを分解できないのか?グリシン開裂系をX線結晶構造解析で詳細に見てみると、その原因が分かりました。T、P、Lと3つ存在する酵素のうち、最も大きいP-タンパク質に先天的な欠損があり、うまく機能していなかったのです。酵素の中にたった一つの変異があるだけで役目を果たせなくなり、結果としてグリシンを分解できなくなるのですから、生体とはつくづく精密なシステムで機能しているのだ、と実感します。

グリシン開裂系。体内にグリシンが入るとT、P、Lの3つのタンパク質が働き、グリシンを分解する。

X線結晶構造解析によって明らかになったP-タンパク質の構造。

未発見の酵素や未解明の機能がまだまだたくさんある。

変異箇所がわかったからといってすぐ治せるわけではありません。それでも原因がはっきりしていれば、対策を見出すことができるでしょう。例えば、変異の箇所が補酵素の働く位置に近ければ、補酵素であるビタミンやミネラルを摂取することで機能を手助けする、などの方法も考えられます。対処法を考えるためにも、構造を詳細な解析が重要なのです。
酵素の研究には、さまざまな角度からのアプローチがあります。X線結晶構造解析を行うには専門的設備が必要ですが、酵素の活性や性質なら分光光度計やスペクトルでも調べられるので、学生でも対応できます。また大腸菌を遠心分離機にかけて目的の酵素を取り出したり、遺伝子操作によってタンパク質を生成する、といった技術も学べます。これらはバイオテクノロジーの基本なので、学生が社会に出てからも役立つでしょう。私のゼミでは、なるべく幅広い経験を学生に身につけさせたいと考えています。
酵素には、機能が確認されているものだけで4000種類あります。そのすべての構造や機能が解明されているわけではなく、また未発見の酵素も数多く存在します。学生とともに研究を深め、酵素の謎を少しでも明らかにしたいと思います。

P-タンパク質での変異はいろいろな箇所で発見されている。

ゼミ取材 こぼれ話
「インフルエンザの治療薬であるタミフル開発にも、X線結晶構造解析が活用されています」と中井先生。「X線結晶構造解析によって、インフルエンザウィルスの増殖に欠かせない酵素の構造をつかみ、その機能を阻害する薬を開発。それによってウィルスの増殖を抑えているのです」。同様の手法がHIVウィルスに対しても用いられています。HIVウィルスの増殖に必要なタンパク質を切断する酵素を用いて、ウィルスを増殖できないようにしています。HIVと言えばかつては致死率の高い病気でしたが、今は生存率が大幅に向上しています。酵素を詳しく調べることで、難病の克服につながるかもしれません。