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Hydrogen-bond network and pH sensitivity in human transthyretin

ヒト由来トランスサイレチンにおける水素結合ネットワークとpH感受性

横山 武司*; 水口 峰之*; 鍋島 裕子*; 日下 勝弘*; 山田 太郎*; 細谷 孝明*; 大原 高志  ; 栗原 和男; 田中 伊知朗*; 新村 信雄*

Yokoyama, Takeshi*; Mizuguchi, Mineyuki*; Nabeshima, Yuko*; Kusaka, Katsuhiro*; Yamada, Taro*; Hosoya, Takaaki*; Ohara, Takashi; Kurihara, Kazuo; Tanaka, Ichiro*; Niimura, Nobuo*

トランスサイレチン(TTR)は4量体で形成されるタンパク質である。TTRの誤った折り畳みや凝集はヒトのアミロイド疾患と関連がある。また、TTR四量体の解離はアミロイド線維形成カスケードの律速段階であると信じられている。さらに、低いpHは単量体への解離とアミロイド線維の形成を促進すると知られている。これらTTRのpH感受性と立体構造安定性に内在する分子機構を明らかにするために、茨城県生命物質構造解析装置を用いた飛行時間法による中性子回折実験を行った。本実験では、2.5mm$$^{3}$$の体積を持つ結晶(育成期間: 4か月)を使用した。2.0${AA}$分解能での中性子結晶構造解析の結果から、ヒスチジン88番残基のプロトン化状態とその状態に依存する水素結合ネットワークの詳細が明らかになった。この水素結合ネットワークは単量体・単量体間と二量体・二量体間の相互作用に関わっており、この結果から、酸性化によるヒスチジン88番残基の二重プロトン化がその水素結合ネットワークを破壊しTTR四量体の解離を引き起こすことが示唆された。また、酸性pHでのX線結晶構造との比較から、TTRのpH感受性の要因となる3つのアミノ酸残基が同定された。我々の中性子結晶構造モデルは、アミロイド症に関連する分子構造安定性を理解する上での手掛かりとなる。

Transthyretin (TTR) is a tetrameric protein. TTR misfolding and aggregation are associated with human amyloid diseases. Dissociation of the TTR tetramer is believed to be the rate-limiting step in the amyloid fibril formation cascade. Low pH is known to promote dissociation into monomer and the formation of amyloid fibrils. In order to reveal the molecular mechanisms underlying pH sensitivity and structural stabilities of TTR, neutron diffraction studies were conducted using the IBARAKI Biological Crystal Diffractometer with the time-of-flight method. Crystals for the neutron diffraction experiments were grown up to 2.5 mm$$^{3}$$ for four months. The neutron crystal structure solved at 2.0 ${AA}$ revealed the protonation states of His88 and the detailed hydrogen-bond network depending on the protonation states of His88. This hydrogen-bond network is involved in monomer-monomer and dimer-dimer interactions, suggesting that the double protonation of His88 by acidification breaks the hydrogen-bond network and causes the destabilization of the TTR tetramer. Structural comparison with the X-ray crystal structure at acidic pH identified the three amino acid residues responsible for the pH sensitivity of TTR. Our neutron model provides insights into the molecular stability related to amyloidosis.

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