Dynamic Structural Analysis of Protein Translocation Across Membrane by Cryo-EM

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ウェルシュ菌が持つbinary毒素である、膜孔形成毒素Ibの構造と機能解析を進めている。膜孔形成毒素Ibはアクチン特異的ADPリボシル化する酵素Iaを膜透過させるトランスロコンである。IaがアクチンのADPリボシル化毒性を発揮するためにはIbが①水溶性プレ膜孔オリゴマー(7量体）を形成、次に細胞膜上で構造変化をおこし②Ibオリゴマーからなる膜孔を形成、③これにIaが結合し、Iaの立体構造がほどけて、④IaがIbオリゴマー膜孔を通過する、この４つのステップが必要となる。我々はクライオ電子顕微鏡を用いた単粒子解析により、Ib膜孔とIaが結合したIb膜孔の構造をそれぞれ2.9オングストローム;の分解能で決定することに成功している(2020年）。これに続いて、抗生物質耐性菌の感染が問題となっているディフィシル菌が持つ二成分毒素CDTの構造をクライオ電子顕微鏡を用いて明らかにした（Nature Communications, 2022)。界面活性剤LMNGの存在下で、CDTa結合したCDTb膜孔を調製、電子顕微鏡でのデータ測定と解析を進めた。その結果、ダイヘプタマーの14量体とともにイオタ毒素と同様の７量体のCDTb膜孔構造が存在していることがわかった。これにCDTaを加えて、クライオ電子顕微鏡での構造決定を行った。其の結果CDTa１分子がCDTb膜孔に結合した構造を明らかにした。さらに、CDTaがCDTb膜孔に結合した状態での構造解析から、結合したばかりのCDTaとCDTb膜孔複合体と、CDTaのN末端のαヘリックスが一部解けた状態とCDTb膜孔複合体の２つの構造をそれぞれ精密化して明らかにした。これはN末端のαヘリックスのアンフォールディングの動的な様子を捉えた初めての報告となった。