ゴルジ体のカルシウムポンプの高分解能構造を決定　金属イオン輸送機構の一端をクライオ電子顕微鏡によって解明

【発表のポイント】

クライオ電子顕微鏡による構造解析により、ヒト由来ゴルジ体膜局在型カルシウムポンプSPCA1aの高分解能構造を世界で初めて決定した。
SPCA1aが、小胞体カルシウムポンプSERCAと類似した立体構造変化を介してカルシウムイオンを輸送する機構を解明した。
SPCA1aが、カルシウムイオンだけでなく、マンガンイオンに対しても輸送活性を有するメカニズムを分子構造レベルで明らかにした。

【概要】

　SPCA1aはゴルジ体^（注１）内にカルシウムを輸送するカルシウムポンプです。SPCA1aの機能不全がHailey-Hailey病^（注２）などの皮膚疾患を引き起こすことが知られている一方で、ゴルジ体のカルシウムの生理機能については十分に理解されていません。SPCA1aは、カルシウムイオンに加えて、マンガンイオンを輸送することも報告されています。しかしながら、これまでSPCA1aの高分解能構造がなかったため、その金属イオン輸送機構は未解明でした。
　東北大学多元物質科学研究所の陳正豪研究員、渡部聡助教、稲葉謙次教授（生命科学研究科、理学研究科化学専攻兼担）、がん研究会の大学保一プロジェクトリーダー、および東京大学大学院医学系研究科の吉川雅英教授らを中心とした共同研究グループはクライオ電子顕微鏡単粒子解析^（注３）を用いて、カルシウム結合型、マンガンイオン結合型、および金属イオン解離型のヒト由来SPCA1aの高分解能構造を世界で初めて決定しました。その結果、SPCA1aがカルシウムイオンまたはマンガンイオンと同じポケットで結合し、巧妙な立体構造変化を介することで、これら金属イオンを選択的に輸送する機構の一端が解明されました。以上の研究成果は、SPCA1aの変異が引き起こす疾患の分子構造レベルでの原因解明にもつながると期待されます。
　本研究成果は、2023年3月3日14時（米国東部時間）に米国雑誌Science Advances誌に掲載されました。

図1. SPCA1aの三つの中間状態のクライオ電子顕微鏡マップと分子構造モデル

【用語説明】

注１．ゴルジ体
細胞内小器官の一つであり、小胞体から輸送されてきた分泌タンパク質の糖鎖修飾や金属イオン配位などを行う。ゴルジ体で加工を受けた分泌タンパク質は、さらに下流の区画へ輸送され、最終的に細胞膜または細胞外に到達する。ゴルジ体も、小胞体と同様にカルシウム濃度が高く保たれているが、小胞体のカルシウム濃度は0.5 ~ 1ミリモーラーであるのに対し、ゴルジ体のカルシウム濃度は 0.1 ミリモーラー程度である。

注2．Hailey-Hailey病
家族性良性慢性天疱瘡とも呼ばれ、わきの下や股などに水ぶくれができる皮膚病であり、指定難病の一つである。SPCA1 をコードする遺伝子ATP2C1の変異によって起こる病気であるが、くわしい発病の仕組みは完全に解明されていない。

注3．クライオ電子顕微鏡単粒子解析
タンパク質の立体構造を高分解能で決定するための手法の一つ。電子線照射による分子の振動や損傷を抑えるために、観測対象のタンパク質を氷薄膜中に包埋し、マイナス180度の低温に保ったまま電子顕微鏡像を観測する。個々の分子像は、様々な向きで氷薄膜に包埋された分子の投影像であり、数十万から数百万分子の投影像を分類・平均化し、それらを統合して高分解能の三次元構造を構築することができる。

【発表論文】

Chen, Z., Watanabe, S., Hashida, H., Inoue, M., Daigaku, Y., Kikkawa, M., and ^*Inaba, K.(2023) Cryo-EM structures of human SPCA1a reveal the mechanism of Ca²⁺/Mn²⁺ transport into the Golgi apparatus. Science Advances
*責任著者：東北大学多元物質科学研究所　教授　稲葉謙次

DOI：10.1126/sciadv.add9742
URL：https://doi.org/10.1126/sciadv.add9742

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