タンパク質の主要構造であるαヘリックスとβシートの発見

概要

1951年春、ライナス・ポーリング、ロバート・コリー、ハーマン・ブランソンの3人がPNASに発表した論文は、現在では何万ものタンパク質の骨格を形成していることが知られているαヘリックスとβシートを提案した。 彼らは、結晶構造とポーリングの化学結合の共鳴理論から得られた小分子の特性から、これらの基本的な構成要素を推論したのであるが、その際、平面的なペプチド基が予測された。 それ以前に、他の研究者がタンパク質のらせんのモデルを構築しようとしたが、非平面的なペプチドを含んでいたり、1回転あたりのユニット数が整数であるらせんにこだわったりして失敗していた。 ポーリング-コーリー-ブランソンのモデルは、40年間精度が落ちなかった結合長を含め、主要な点で驚くほど正しかった。 しかし、これらのモデルでは、らせんの手や曲がったシートの可能性は考慮されていませんでした。

X線結晶構造解析によってタンパク質全体の構造が初めて明らかにされる10年前に、カリフォルニア工科大学のライナス・ポーリングとロバート・コリー(図1)は、タンパク質の2つの主要な構造的特徴であるαヘリックスとβシートを推論しました。 小さな分子の特徴に基づいて大きな分子のモデルを構築することに成功した彼らの推論は、1951年2月と3月にPNASに掲載された8本の連載記事で発表された。 彼らの研究は、2年後に発表されたDNAのワトソン・クリック論文がポーリング・コーリーのモデル構築法を採用したのと同様に、タンパク質にとって重要な意味を持っていた。

iv xmlns:xhtml=”http://www.w3.org/1999/xhtml 図1.

リナス・ポーリングとロバート・コリー(A)、ハーマン・ブランソン(B)。 ポーリングは、化学構造と結合に関する深い理解、細部への記憶力、創造的な才能を持ち合わせており、αヘリックスの発見に大きく貢献した。 ロバート・コリーは、威厳があってシャイなX線結晶学者で、難しい構造を解明するノウハウと忍耐力を持ち、ポーリングに必要な基礎情報を提供した。 ハーマン・ブランソンは、カリフォルニア工科大学で休暇中の物理学者で、ポーリングから、自分とコリーが決めた構造化学のルールに合致するヘリックスをすべて見つけるように指示されていた。 ポーリングとコリーの木製のヘリックスは、1Åあたり1インチのスケールで、2億5400万倍に拡大されている。 A)カリフォルニア工科大学アーカイブス提供。

これらの論文の中で最も画期的なのは、ポーリングの50歳の誕生日である1951年2月28日にPNASに投稿された最初の論文です。 それは「タンパク質の構造」です。 この論文では、ポーリングとコリーに加えて、当時ハワード大学を休職中だったアフリカ系アメリカ人の物理学者、H.R.ブランソンが3人目の共著者として登場しています(図1)。 著者は冒頭で、「我々は、タンパク質の構造の問題にいくつかの方法で取り組んできた。 その一つは、アミノ酸、ペプチド、その他のタンパク質に関連する単純な物質の結晶構造を完全かつ正確に決定することで、原子間距離、結合角、その他の構成パラメータに関する情報を得て、ポリペプチド鎖の合理的な構成を確実に予測できるようにすることである」。 言い換えれば、構造化学者のポーリングは、タンパク質の正確なパーツリストがあれば、全体的な構造の主要な側面を推測することができると考えており、それが証明されたのです。 “我々が設定した問題は、単一のポリペプチド鎖について、(側鎖Rの違いを除いて)残基が同等である、すべての水素結合構造を見つけることである」。 つまり、各アミノ酸残基のカルボニルCEmbedded ImageO基が、他の残基からN-H水素結合を受け入れる可能性のある繰り返し構造(らせん)をすべて探したのです。 なぜ、ヘリックスの種類が少ないと考えられたのか。 それは、タンパク質を構成するアミノ酸やペプチドの結晶構造を研究した結果、結合の長さや結合の角度が正確にわかったため、構造に制約があったからです。 最も重要な制約は、タンパク質の各アミノ酸残基と次のアミノ酸残基を結合するアミド基(またはペプチド基)の6つの原子がすべて一平面上に存在することであった。 ポーリングは、カルボニル基の二重結合とペプチド基のアミドC-N結合の間で電子が共鳴することから、平面的なペプチド基を予測していました(スキーム1)。

実際、このような平面的なペプチド基は、N-アセチルグリシンやβ-グリシルグリシンの結晶構造でも観察されていました。 著者らは “この構造的特徴は、我々が研究したすべてのアミドで確認されています。

ポーリング、コリー、ブランソンの3人は、結晶構造で観察された正確な結合寸法を持ち、長さ2.72Åの直線的な水素結合を持つ平面的なアミド基を持つらせんを作ったところ、2つの可能性しかないことがわかりました。

図2:α-helixとγ-helix。

1951年にPauling、Corey、Bransonが発表した論文(1)に描かれているαヘリックス(左)とγヘリックス(右)です。 生化学者は、α-helixのCEmbedded ImageO基がC末端の方向を向いているのに対し、γ-helixのCO基はN末端の方向を向いていること、さらに、図のα-helixは左巻きで、d-アミノ酸から構成されていることに注目するだろう。 (Linda Pauling Kamb の許可を得て複製しました。)

この短くて素晴らしい論文の残りの大部分は、この 2 つのヘリックスと、他の人が以前に提案したヘリックスとの比較で占められています。特に、Bragg、Kendrew、Perutz (2) はその前年の論文で、可能なすべてのタンパク質のヘリックスを列挙しようとしましたが、この 2 つを見逃しました。 ポーリングらはαヘリックスの論文で、次のように勝ち誇った口調で述べている。「これらの著者は、我々の3.7残基のヘリックスも5.1残基のヘリックスも提案していない。 一方、我々は彼らが提案した構造のすべてを我々の基本的なポスチュレートによって排除するであろう。 他の研究者と我々が本質的に同様の議論をして得た結果が異なる理由は、Braggとその共同研究者の両者が…1回転あたりの残基数が整数であるらせん構造のみを詳細に議論し、さらに、我々がより単純な物質を調査して得られた原子間距離、結合角度、共役アミド基の平面性に関する要件に対して、大まかな近似を仮定しているに過ぎないからである。 私たちは、これらの立体化学的特徴は、タンパク質中のポリペプチド鎖の安定した構成に非常に密接に保持されているはずであり、らせん状分子の1ターンあたりの残基数が整数であることに関連した特別な安定性はないと主張します。 要するに、どのようならせんが可能かを決定するには、立体化学が重要であり、積分対称性は何の役割も果たしていないのです。

今日、私たちは、らせんが1ターンあたり整数個のモノマーユニットを持つ必要はないと、何の気なしに受け入れています。

今日、私たちは、らせんが1回転あたりのモノマーユニットの数が整数である必要はないことを、何の疑いもなく受け入れています。 彼らはまた、平面的なペプチド群の必要性を見逃していた。 ケンブリッジ大学(英国、ケンブリッジ)の物理学科にいた彼らは、近くにある二重結合との共役を知らなかった。 当時、ケンブリッジ大学の有機化学の教授はアレクサンダー・トッドで、ブラッグたちとは中庭を挟んで向かい合っていた。 トッドは、「こんなに近くにいながら、私の知る限り、ブラッグが化学実験室に足を踏み入れたことは一度もなかった…ある日…彼はやや動揺した様子で私の部屋にやってきて、手にはポーリング-コーリー-ブランソンの論文や、彼が書いたらせんに関する論文の束を持っていた」と回想している(3)。 その中には、ポーリング、コーリー、ブランソンの論文や、自分が考案したらせんの論文も含まれていた。 トッドは、「証拠があれば、有機化学者であれば誰でもポーリングの見解を受け入れると思います」と答えた。

非整数型αらせんのアイデアは、3年前、オックスフォード大学の客員教授だったポーリングが思いついたものでした。 湿った気候で風邪を引き、何日か寝込んだことがある。 オックスフォードでは分子モデルを持っていなかったが、一枚の紙に原子と原子間の結合を描き、その紙を折って結合を直角に曲げ、それを繰り返してらせんを作り、らせんの1つの曲がり角と次の曲がり角の間に水素結合を作ることができた。”

わずか数時間で思いついたこの発見を、ポーリングはなぜ3年も遅れて発表したのか。 その答えは、1989年にシアトルで開催されたProtein Societyの第3回シンポジウムのバンケットスピーチで述べられた。 彼は、α-ケラチンの回折パターンが5.15Åの分解能で主要な子午線方向の特徴として強い反射を示しているのに対し、コリーとのモデルから計算されたα-ヘリックスの繰り返しが5.4Åであることに不安を感じていました。 しかし、1950年にBragg、Kendrew、Perutzの3人がタンパク質の潜在的ならせんを列挙した論文が発表された。

αヘリックスの繰り返しとαケラチンのX線反射の不一致の原因は、その1年後、当時ペルッツの大学院生だったフランシス・クリック(5)とポーリングが突き止めた。 それは、ケラチンがαヘリックスが互いに巻きついたコイル状のコイルであるということである。

βシート

このシリーズの2番目の論文は、7つのグループのうちの1つとして、PNASの1つの号に掲載されました。 それは The Pleated Sheet, A New Layer Configuration of Polypeptide Chains (6)」である。 この論文でポーリングとコリーは、ポリペプチド鎖の水素結合による層構成を発見したと報告している。この層構成では、平面状のペプチド基がシートの平面内に存在し、連続したタンパク質鎖が逆方向に走ることで、平行なシートだけでなく、逆平行なシートも得られる。 いずれの場合も、線状のH結合が再び形成されるが、これは1本の鎖の中ではなく、タンパク質鎖の間で行われる。 残基ごとの立ち上がりは、完全に伸びたタンパク質鎖で予想される3.6Åではなく、β-ケラチンのX線回折パターンで見られる3.3Åとなりました。

αヘリックスモデルとβシートモデルの確認

αヘリックスを確認したのは、1950年の論文で間違ったヘリックスを列挙した3人の著者のうちの1人、マックス・ペルッツでした。 1951年春のある土曜日の朝、彼はPNASの論文(7)を目にした。 “私はポーリングとコリーの論文に衝撃を受けた。 アミド基はすべて平面的で、カルボニル基はすべて、鎖の4残基先のイミノ基と完全な水素結合を形成していたのです。 構造は完全に正しいものでした。 どうして見逃していたのだろう?

突然、ペルッツはこう思いついた。「ポーリングとコリーのαヘリックスは、アミノ酸残基が階段状になっている螺旋階段のようなもので、各段の高さは1.5Åだ。回折理論によれば、この規則的な繰り返しによって、繊維軸に垂直な面から1.5Åの間隔で強いX線反射が得られるはずだ…」。 興奮した私は研究室に戻り、引き出しにしまってあった馬の毛を探してきて、1.5Åの繰り返しを反射する位置に持ってくるために、X線ビームに対して31°の角度でX線ビームに当てた。 “数時間後、私は胸を張ってフィルムを現像した。

月曜日の朝、ペルッツはX線回折写真をブラッグに見せた。 “この重要な実験を思いついた理由を聞かれたので、あの美しい構造を自分で作り損ねたことへの怒りから思いついたと答えました」。 ブラッグは即座に「もっと早く君を怒らせたかったよ!」と答えた。1.5Åの反射を発見すれば、そのままαヘリックスにたどり着くことができたからである。 ペルッツもヘモグロビンの回折で1.5Åの反射を見つけた。 彼はポーリングに次のような手紙を出している(8)。「この予言が実現し、ついにヘモグロビンでこの反射を発見したことは、私の人生の中で最もスリリングな発見でした」。

βシートと一本鎖のβリボンは、1965年の卵白リゾチームの構造のように、球状タンパク質で初めて見られました(9)。 最初に驚いたのは、ポーリングやコリーが考えていたまっすぐなストランドやひだのあるシートとは異なり、ストランドもシートもねじれていることだった。 1989年にポーリングは、シートがねじれているリゾチームの構造を見た瞬間に、元のモデルにねじれを取り入れるべきだったと思ったと語っている。

Some Surprising Omissions from the 1951 Papers

化学者が図2のα-helixを注意深く見ると、2つの驚くべき特徴に気づくでしょう。 (i)生物のタンパク質のαヘリックスは右巻きであることが知られていますが、αヘリックスは左巻きであること。 つまり、左手の親指でらせん軸を指し示すと、らせんは左手の指の方向に回転するのである。 ii)各α炭素原子の周りの化学基の配置は、タンパク質のアミノ酸残基の自然発生的なl-配置ではなく、d-配置を持っている。 つまり、ポーリングらのモデルは、天然のタンパク質におけるα-helixの鏡像である。 一方、図2のγヘリックスは、d-アミノ酸残基で構成された右巻きのヘリックスである。

この選択の根拠については、ポーリング・コーリー研究当時、カリフォルニア工科大学の博士研究員であったDunitz (12) が最近分析しています。 実は、ポーリングに、新しいタンパク質の構造を表す用語を「スパイラル」から「ヘリックス」に変更するように説得したのは、デュニッツであった。 デュニッツは、αらせんが誕生した1951年は、J.M.BijvoetがX線の異常散乱を利用して分子の絶対配置を確立した年でもあると分析している。 この年、カリフォルニア工科大学で行われたハンドネスの議論を思い出しながら、デュニッツはこう結論づけている。 “ポーリングがαヘリックスの論文を書いたときに、これらの進展を知らなかったのか、それとも知っていても関心がなかったのか…。 私は、ポーリング(あるいは同僚のロバート・B・コリー)は、論文を書いたとき、あるいはモデルを作ったときでさえも、らせん構造を説明するために2つのアミノ酸配置のうちの1つ(たまたま間違ったもの)を選んだだけで、絶対配置の問題についてはあまり考えなかったのではないかと思います…。 絶対配置の問題は、その必要性がなかったため、ほとんど注目されませんでした。 絶対配置の問題は、その必要性がなかったため、ほとんど注目されていませんでした。

また、最初の論文では、球状タンパク質の構成要素である 310 ヘリックスについての言及はほとんどありませんでした。 310らせんのH結合は、著者らが設定した厳しい基準では受け入れられないほど、長くて曲がっています。 曲がった長い水素結合が構造を不安定にするという著者の直感は基本的に正しかったのですが、著者が設定した閾値は、自然が310らせんを受け入れることがわかっている現在(13)で使用されている閾値よりも厳しいものでした。

1951年の一連の論文では、ラマチャンドラン図がもう1つ省略されています。 これは、タンパク質骨格のN-CαおよびCα-CEmbedded ImageO結合を中心とした回転の許容値を2次元的にプロットしたもので、1964年にラマチャンドランらによって導入されました(14)。 この図は、これらの2つの結合を中心とした回転のほとんどの値が、タンパク質原子の衝突によって禁止されていることを示しています。 ひとつはα-helix、もうひとつはβ-sheetのほぼ延長された鎖である。 今日、ラマチャンドラン図は、タンパク質の構造に関するすべての授業で教えられており、タンパク質の構造を決定する力を理解するための教科書にも掲載されている。 しかし、このラマチャンドラン図には、ポーリングとコリーがよく知っている以上のことは書かれていない。彼らは、ラマチャンドラン図のすべての特徴を具現化した構造案のモデルを作ったのだ。 彼らは原理をよく理解していたので、このような図で説明する必要はないと考えたのでしょう。

PaulingとCoreyの他の6つのPNAS論文とより広い文脈

PNASの残りの6つの論文は、モデルの原子座標を示し、繊維状タンパク質の回折パターンをモデルに基づいて解釈しています。 これらの論文には、筋収縮は伸びたβストランドからコンパクトなαヘリックスへの移行であるという提案など、実証されていないことが多くあります。

これらの論文は、書かれたときの政治的背景を考えると、さらに注目に値します。

これらの論文は、書かれた時期の政治的背景を考えると、さらに注目に値するものです。この時期、ポーリングは、冷戦の圧力とマッカーシズムと呼ばれるようになったアメリカへの不忠の罪から、自分を含む学者を守ることにも深く関わっていました。 反共産主義の調査委員会に召喚されたり、リベラルな活動をしていると嫌がらせのメールが届いたり、コンサルティングの大口契約を解除されたり、カリフォルニア工科大学の同僚から冷たくされたりしたこともあった。 ポーリングとコリーが7つの蛋白質論文を出版するために提出した翌日、米下院非米活動委員会は、ポーリングを「米国を武装解除して敗北させるキャンペーン」に関与している最も優れたアメリカ人の1人に指名した(8)。 彼の記録を見ると、ライナス・ポーリング博士は、自分の科学的成果を、アメリカ共産党とソ連に完全に従属することを共通点とする多くの組織のために役立てることに主眼を置いていることが分かる」と報道された。

謝辞

David R. Davies、Richard E. Dickerson、Richard E. Dickersonに感謝します。

Footnotes

  • ↵* E-mail: david{at}mbi.ucla.edu.

  • キーを押してください。

  • この視点は、PNASに掲載された画期的な論文を紹介するシリーズの一環として掲載されています。

  • † 絆の長さはすべて、40年後に決定されたもの(15)から1標準偏差以内に収まっています。

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