水島 恒裕

プロテアソームは真核生物に普遍的にみられる約2.5MDaの巨大な細胞内タンパク質分解装置であり、ユビキチン化されたタンパク質を選択的に分解することでさまざまな生命現象を制御している。プロテアソームはその名を受けてから四半世紀が経過したが、プロテアソームがどのような構造をしており、どのようにユビキチン化タンパク質を分解するのか、細胞内のどこで形成されるのか、どのように存在しているのかなど長い間不明であった。本稿ではプロテアソームに関する最近の研究動向をわれわれの知見と併せて概説したい。(著者抄録)

プロテアソームは多くのサブユニットからなる非常に複雑な超分子複合体である。その機能は単純にタンパク質分解を行うだけではなく、ユビキチンの認識、除去、アンフォールディング、多様な触媒活性など多くの役割を同時に果たす非常に高度なものである。また、プロテアソームには複数の制御因子群が存在し、異なる複合体を形成することでそれぞれの役割を果たしている。本稿ではプロテアソームの複合体構造解析により明らかとなった、高度な機能と反応機構を紹介する。(著者抄録)

The ubiquitin-proteasome pathway is a major proteolytic system in eukaryotic cells and regulates various cellular processes. The 26 S proteasome, the central enzyme of this pathway, consists of a proteolytic core particle and two 19 S regulatory particles (RPs) composed of ATPase (Rpt) and non-ATPase (Rpn) subunits. Growing evidence indicates that proteasome assembly is assisted by a variety of chaperones. In particular, it has been reported recently that Nas2, Nas6, Rpn14, and Hsm3 bind specific Rpt subunits, thereby contributing to the formation of 19 S RP. Rpn14 transiently binds to the C-terminal domain of the Rpt6 subunit (Rpt6-C) during maturation of the ATPase ring of 19 S RP. In this study, we determined the crystal structure of yeast Rpn14 at 2.0 angstrom resolution, which revealed that this chaperone consists of a unique N-terminal domain with unknown function and a C-terminal domain assuming a canonical seven-bladed beta-propeller fold. The Rpt6-binding site on Rpn14 was predicted based on structural comparison with the complex formed between Nas6 and Rpt3-C. The top face of Rpn14 exhibits a highly acidic surface area, whereas the putative interacting surface of Rpt6-C is basic. By inspection of structural data along with genetic and biochemical data, we determined the specific residues of Rpn14 and Rpt6 for complementary charge interactions that are required for 19 S RP assembly.

Eukaryotic 20S proteasomes are composed of two alpha-rings and two beta-rings, which form an alpha beta beta alpha stacked structure. Here we describe a proteasome-specific chaperone complex, designated Dmp1-Dmp2, in budding yeast. Dmp1-Dmp2 directly bound to the alpha 5 subunit to facilitate alpha-ring formation. In Delta dmp1 cells, alpha-rings lacking alpha 4 and decreased formation of 20S proteasomes were observed. Dmp1-Dmp2 interacted with proteasome precursors early during proteasome assembly and dissociated from the precursors before the formation of half-proteasomes. Notably, the crystallographic structures of Dmp1 and Dmp2 closely resemble that of PAC3-a mammalian proteasome-assembling chaperone; nonetheless, neither Dmp1 nor Dmp2 showed obvious sequence similarity to PAC3. The structure of the Dmp1-Dmp2-alpha 5 complex reveals how this chaperone functions in proteasome assembly and why it dissociates from proteasome precursors before the b-rings are assembled.

新生タンパク質は小胞体において厳密に品質管理を受けており、正しい立体構造をとれなかったタンパク質は小胞体関連分解(ERAD)機構によって細胞質へ逆行輸送後、ユビキチン・プロテアソーム系により分解される。SCFFbs1はこの経路において糖鎖を目印として糖タンパク質にユビキチンを付加するユビキチンリガーゼである。SCFFbs1の糖鎖認識機構がX線結晶構造解析により示され、その合理的なシステムが明らかになった。本稿ではSCFFbs1立体構造より得られた知見とFbs1の新たな機能に関して紹介する。(著者抄録)

The ubiquitin ligase complex SCFFbs1, which contributes to the ubiquitination of glycoproteins, is involved in the endoplasmic reticulum-associated degradation pathway. In SCF ubiquitin ligases, a diverse array of F-box proteins confers substrate specificity. Fbs1/Fbx2, a member of the F-box protein family, recognizes high-mannose oligosaccharides. To elucidate the structural basis of SCFFbs1 function, we determined the crystal structures of the Skp1-Fbs1 complex and the sugar-binding domain (SBD) of the Fbs1-glycoprotein complex. The mechanistic model indicated by the structures appears to be well conserved among the SCIF ubiquitin ligases. The structure of the SBD-glycoprotein complex indicates that the SBD primarily recognizes Man(3)GlcNAc(2), thereby explaining the broad activity of the enzyme against various glycoproteins. Comparison of two crystal structures of the Skp1-Fbs1 complex revealed the relative motion of a linker segment between the F-box and the SBD domains, which might underlie the ability of the complex to recognize different acceptor lysine residues for ubiquitination.

ユビキチンシステムは生体内における不要蛋白質分解系において中心的役割を果たしている.更に,このシステムに異常をきたすことを原因とする疾病も多く報告されている.ユビキチンシステムが生体内でどのように機能しているかを分子レベルで理解することは重要であり,ユビキチンシステムに関与する種々の酵素の構造生物学的研究が行われている.そこで,このユビキチンシステムを構成する酵素群,すなわちユビキチン活性化酵素(E1),ユビキチン結合酵素(E2),ユビキチンリガーゼ(E3)について,単量体型および複合体型酵素群の立体構造より明らかになった知見について紹介した

SCFFbs1 is a ubiquitin ligase that functions in the endoplasmic reticulum (ER)-associated degradation pathway. Fbs1/Fbx2, a member of the F-box proteins, recognizes high-mannose oligosaccharides. Efficient binding to an N-glycan requires di-N-acetylchitobiose ( chitobiose). Here we report the crystal structures of the sugar-binding domain (SBD) of Fbs1 alone and in complex with chitobiose. The SBD is composed of a ten-stranded antiparallel beta-sandwich. The structure of the SBD chitobiose complex includes hydrogen bonds between Fbs1 and chitobiose and insertion of the methyl group of chitobiose into a small hydrophobic pocket of Fbs1. Moreover, NMR spectroscopy has demonstrated that the amino acid residues adjoining the chitobiose-binding site interact with the outer branches of the carbohydrate moiety. Considering that the innermost chitobiose moieties in N-glycans are usually involved in intramolecular interactions with the polypeptide moieties, we propose that Fbs1 interacts with the chitobiose in unfolded N-glycoprotein, pointing the protein moiety toward E2 for ubiquitination.

生体高分子の立体構造を明らかにすることは,その機能を研究するために正確で重要な情報を供給する.プロテアソームのような超分子複合体のX線結晶構造解析は,その非常に大きな分子量と構造の複雑性から通常の水溶性タンパク質の構造解析とは違った困難が存在する.しかし,それらを解決して明らかとなった立体構造により,超分子として複合体を形成することによる制御された機能とその活性が明らかとなった.プロテアソームの構造解析と,それにより明らかになった知見を紹介した