見落とされている現象

カリフォルニア大学サンタバーバラ校 2023年1月28日

研究者らによると、この新たに発見された挙動は、生体触媒におけるリン酸イオンの機能、細胞内のエネルギーバランス、生体材料の形成の理解に影響を与えるという。

カリフォルニア大学サンタバーバラ校とニューヨーク大学の研究チームは、リン酸カルシウムクラスターの集合プロセスの単純な調査中に、予期せぬ発見に遭遇しました。それは、水中のリン酸イオンは、頻繁に観察されるリン酸イオンの間で切り替わる傾向があるということです。水分を含んだ状態と、これまで知られていなかった謎の「暗い」状態です。

研究者らは、この新たに発見された挙動は、生体触媒におけるリン酸イオンの機能、細胞内のエネルギーバランス、生体材料の生成を理解する上で重要な意味を持つと考えている。 この研究は最近、米国科学アカデミー紀要に掲載されました。

リン酸二カルシウムの粉末。 クレジット: カリフォルニア大学サンタバーバラ校

"Phosphate is everywhere," said UCSB chemistry professor Songi Han, one of the authors of a paper in the Proceedings of the National Academy of Sciences. The ion consists of one phosphorus atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">atom surrounded by four oxygen atoms. "It's in our blood and in our serum," Han continued. "It's in every biologist's buffer, it's on our DNADNA, or deoxyribonucleic acid, is a molecule composed of two long strands of nucleotides that coil around each other to form a double helix. It is the hereditary material in humans and almost all other organisms that carries genetic instructions for development, functioning, growth, and reproduction. Nearly every cell in a person's body has the same DNA. Most DNA is located in the cell nucleus (where it is called nuclear DNA), but a small amount of DNA can also be found in the mitochondria (where it is called mitochondrial DNA or mtDNA)." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">DNA and RNARibonucleic acid (RNA) is a polymeric molecule similar to DNA that is essential in various biological roles in coding, decoding, regulation and expression of genes. Both are nucleic acids, but unlike DNA, RNA is single-stranded. An RNA strand has a backbone made of alternating sugar (ribose) and phosphate groups. Attached to each sugar is one of four bases—adenine (A), uracil (U), cytosine (C), or guanine (G). Different types of RNA exist in the cell: messenger RNA (mRNA), ribosomal RNA (rRNA), and transfer RNA (tRNA)." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">RNAです」と、それは私たちの骨や細胞膜の構造成分でもある、と彼女は付け加えた。

リン酸塩はカルシウムと結合すると、細胞や骨にミネラル沈着を形成する途中で小さな分子クラスターを形成します。 それは、ハン氏と共同研究者のUCSBのマシュー・ヘルゲソン氏とニューヨーク大学のアレクセイ・ジャーショウ氏が、UCSBの物理学教授マシュー・フィッシャーによって提案された対称リン酸クラスターにおける量子の挙動を明らかにすることを期待して、研究と特徴付けの準備をしていたことだ。 しかし、まず研究者らは、核磁気共鳴（NMR）分光法と極低温透過型電子顕微鏡（cryo-TEM）による、カルシウムの非存在下でのリン酸イオンのスキャンを含む対照実験をセットアップする必要があった。

しかし、このプロジェクトに参加したUCSBとニューヨーク大学の学生たちは、さまざまな濃度と温度の水溶液中の天然同位体リン31に関する参照データを収集していたため、結果は期待と一致しませんでした。 たとえば、NMR スキャン中の 31P のスペクトルを表す線は、温度の上昇とともに狭くなるはずだとハン氏は述べています。

「その理由は、温度が高くなると分子の回転速度が速くなるからです」と彼女は説明した。 通常、この急速な分子運動により、異方性相互作用、またはこれらの小分子の相対的な配向に依存する相互作用が平均化されます。 その結果、NMR 装置によって測定される共鳴が狭くなる可能性があります。

「私たちはリンの NMR シグナルを期待していましたが、これは温度が高くなるとピークが狭くなる単純なシグナルです」と彼女は言いました。 「しかし、驚いたことに、私たちが測定したスペクトルは拡大しており、予想とはまったく逆の結果でした。」

この直観に反する結果により、チームは分子レベルの原因を特定するために実験を重ね、新たな道を歩むことになりました。 仮説を次々と排除し続けた1年後の結論は？ リン酸イオンは、幅広い生物学的条件下でクラスターを形成していました。クラスターは直接の分光検出を回避していました。これが、リン酸イオンがこれまで観察されなかった理由であると考えられます。 さらに、測定では、これらのイオンが目に見える「遊離」状態と暗い「集合」状態の間を行き来しているため、信号が鋭いピークではなく広がっていることが示唆されました。

さらに、共同筆頭著者であるメソポタミア・ノボタルスキー氏によると、気温が上昇するにつれて、これらの集合状態の数も増加しており、これも温度に依存する挙動であるという。

「それらの実験から得られた結論は、リン酸塩が脱水しており、それによってリン酸塩が互いに近づくことを可能にするというものでした」と彼女は語った。 低温では、溶液中のこれらのリン酸塩の大部分が水分子にくっついて、その周りに保護的な水の膜を形成します。 この水和状態は、生体系でリン酸塩がどのように挙動するかを考えるときに通常想定されます。 しかし、より高い温度では、それらは水のシールドを剥ぎ取り、互いにくっつくことができるとノウォタルスキー氏は説明しました。 この概念は、リン酸塩の水の殻を調べる NMR 実験によって確認され、さらに、クラスターの存在を特定するための低温 TEM 画像の分析や、共同筆頭著者である Joshua Straub によるリン酸塩集合体のエネルギー学のモデル化によって検証されました。

研究者らによれば、これらの動的なリン酸集合体と水和殻は生物学と生化学に重要な意味を持っているという。 化学技術者のマシュー・ヘルゲソン氏によれば、リン酸塩は生物系でアデノシン三リン酸（ATP）とアデノシン二リン酸（ADP）への変換を通じてエネルギーを貯蔵したり消費したりするために使用される、一般に理解されている「通貨」であるという。 「リン酸水和物、ADP、ATPが小額の『紙幣』を表すとすれば、この新しい発見は、これらの小額通貨がはるかに高額な額面（たとえば100ドル）と交換できることを示唆しており、これは現在知られているメカニズムとは大きく異なる生化学プロセスとの相互作用を有する可能性がある」と同氏は述べた。言った。

また、多くの生体分子成分にはリン酸基が含まれており、同様にクラスターを形成する可能性があります。 したがって、これらのリン酸塩が自発的に集合できるという発見は、タンパク質の相互作用だけでなく、殻や骨格の形成方法である生体石灰化など、他の基本的な生物学的プロセスに光を当てる可能性があります。

「ATP分子に組み込まれたものを含むさまざまなリン酸塩もテストしましたが、それらはすべて同じ現象を示すようで、これらの集合体の定量分析を達成しました」と共同筆頭著者のJiaqi Lu氏は述べた。

This once overlooked process could also be significant in the realms of cell signaling, metabolism and disease processes such as Alzheimer'sAlzheimer's disease is a disease that attacks the brain, causing a decline in mental ability that worsens over time. It is the most common form of dementia and accounts for 60 to 80 percent of dementia cases. There is no current cure for Alzheimer's disease, but there are medications that can help ease the symptoms." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">アルツハイマー病では、脳内のタンパク質タウへのリン酸基の結合、つまりリン酸化が神経変性の特徴である神経原線維変化でよく見られます。 この集合挙動を観察し研究した後、チームは現在、リン酸カルシウム集合に関する元の研究に加えて、リン酸集合、遺伝子翻訳、修飾されたタンパク質集合に対するpHの影響についての研究でさらに深く研究を進めています。

「これは、通常、分子集合の推進要因とは考えられていないリン酸基の役割についての考え方を大きく変えるものです」とハン氏は言う。

参考文献：「一般的な水溶液中でリン酸塩は分光学的に暗状態集合体を形成する」Joshua S. Straub、Mesopotamia S. Nowotarski、Jiaqi Lu、Tanvi Sheth、Sally Jiao、Matthew PA Fisher、M. Scott Shell、Matthew E. Helgeson、Alexej Jerschowおよび Songi Han、2022 年 12 月 29 日、米国科学アカデミー紀要.DOI: 10.1073/pnas.2206765120