スピドロイン
クモの糸に含まれるタンパク質

タンパク質ファミリー
スピドロイン、N末端
識別子
シンボルスピドロイン_N
ファムPF16763
インタープロIPR031913
キャス2lpj
利用可能なタンパク質構造:
ファム  構造 / ECOD  
PDBRCSB PDB; PDBe; PDBj
PDBサム構造の概要
タンパク質ファミリー
スピドロイン、C末端
識別子
シンボルスピドロイン_MaSp
ファムPF11260
インタープロIPR021001
キャス2分0秒
利用可能なタンパク質構造:
ファム  構造 / ECOD  
PDBRCSB PDB; PDBe; PDBj
PDBサム構造の概要
スピドロイン1
識別子
生物ジョロウグモ
シンボル?
ユニプロットP19837
検索する
構造スイスモデル
ドメインインタープロ
スピドロイン2
識別子
生物ジョロウグモ
シンボル?
ユニプロットP46804
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構造スイスモデル
ドメインインタープロ
スピドロインの構造図

スピドロインはクモ糸の主要タンパク質です。異なる種類のクモ糸には異なるスピドロインが含まれており、それらはすべて単一のタンパク質ファミリーに属しています。[1]最も研究されているスピドロインは、ドラッグラインシルク（最も強力なクモ糸）の製造に使用される主要アンプルレートシルクタンパク質（MaSp）です。ドラッグラインシルク繊維は当初、スピドロイン1（MaSp1）とスピドロイン2（MaSp2）の2種類のスピドロインで構成されていると考えられていましたが、近年の1000種以上のクモのトランスクリプトーム解析により、複数のスピドロインが発現していることが明らかになり、より複雑な構造となっています。[2] [3] [4]

スピドロインは、硬タンパク質と呼ばれるタンパク質の大きなグループに属します。このグループには、コラーゲンやケラチンなどの他の不溶性構造タンパク質も含まれます。

ドラグラインスピドロインの繊維は鋼鉄と同等の太さと強度を持ちながら、より柔軟です。元の長さの約135%まで伸ばしても切れません。その特性から、様々な科学分野での利用に適しています。[5]

構造

大瓶状スピドロインは、平均 3500 個のアミノ酸を含んだ 250～350 kDaの大きなタンパク質です。これらは高分子構造をしており、ほとんどが高度に均質化されたタンデムリピート配列に基づいています。30 ～40 個のアミノ酸からなる反復配列が100 個あり、タンパク質配列の 90% 以上を占めています。 [6]これらのタンパク質には、アラニンとグリシン残基が最も多く含まれています。アラニンは 6～14 個のブロックでβ シートを形成します。これらのアラニンブロックは積み重なって繊維内に結晶構造を形成し、異なるタンパク質分子を結び付けます。グリシンは、GGX や GPGXX (X = A、L、Q、または Y) などのさまざまなモチーフに存在し、これらも特定の二次構造 (それぞれ3 10ヘリックスと β スパイラル) を持ちます。グリシンに富む領域はより非晶質で、伸長性と柔軟性に貢献します。スピドロイン1とスピドロイン2（最も重要な大瓶状スピドロイン）の間に見られる違いとしては、プロリン含有量（前者では非常に低いが、後者では顕著）とモチーフが挙げられる。モチーフ（GGX）nはスピドロイン1の特徴であり、GPGとQQはスピドロイン2の典型的なモチーフである。           

一方、スピドロインは、それぞれ約150個と約100個のアミノ酸からなる非反復性のアミノ末端（N末端）ドメインとカルボキシ末端（C末端）ドメインを有する。N末端ドメインとC末端ドメインは、どちらもセリンに富み、両親媒性のαヘリックス二次構造をとっている点を除けば、ほとんど類似点がない。これらのドメインは、スピドロイン1と2の間だけでなく、多くの種類の糸やクモ種の間でも保存されている。実験データは、N末端ドメインとC末端ドメインが繊維の集合に寄与することを示している。[7] C末端ドメインは、紡糸中に可溶性のスピドロイン溶液から不溶性の繊維への組織化された遷移に関与している。[8] N末端ドメインには、シルク腺細胞からのスピドロイン分泌を制御するシグナルペプチドが存在する。 [9] [10]   

関数

クモは1匹あたり多数の種類の糸を紡ぎますが、それぞれの種類は腹部の独自の絹糸腺から出ています。この複雑な絹糸の仕組みにより、クモは目的に応じた糸（例えば、巣の組み立て、卵嚢の構築、獲物の包み込みなど）を使い分けることができます。[10]異なる種類の糸（大膨大糸、小膨大糸、鞭毛状糸、腺房状糸、管状糸、梨状糸、凝集糸）[11]は、それぞれ異なる種類のタンパク質で構成されています。

ドラグラインシルクは主にスピドロインタンパク質によって形成されます。これは大瓶状糸の一種であり、大瓶状腺で産生されます。ドラグラインシルクは、球状の巣の外枠と半径を構成するだけでなく、クモが捕食者から逃れるための垂れ下がった命綱としても使用されます。[12]この糸を産生する大瓶状腺は、3つの主要な部分から構成されています。中央の袋（Bゾーン）、両側の尾部（Aゾーン）、そして出口に向かう管です。尾部は、シルク繊維を構成するタンパク質分子を含む溶液である「紡糸ドープ」の大部分を分泌します。袋は、シルクの主な貯蔵庫です。

Aゾーンの上皮は、単一種類の分泌細胞が縦に連なり、分泌顆粒を多く含んだ構造をしています。これらの細胞はフィブロイン溶液を分泌し、その主成分は275kDaのタンパク質で、スピドロインIとスピドロインIIというポリペプチドを含みます。これらの細胞から分泌される物質は、約50%がタンパク質（主にスピドロイン）で、粘性の高い水溶液です。分泌された物質は、ドラグラインシルクという主要構造を形成します。

この高粘度のタンパク質エマルジョンはBゾーンに流れ込み、そこで糖タンパク質に覆われます。この袋から出た液体は、細い管に送られます。ゼラチン状のタンパク質溶液が管に流れ込むと、中に含まれるスピドロインと糖タンパク質は徐々に変形し、流れの方向に沿って細長く整列します。そして、それらは引き伸ばされ、最終的に強力な分子間結合を形成できるように整列します。様々な工程を経て、絹糸は紡糸管の中で引き伸ばされ、極めて丈夫な糸となります。

産業および生物医学用途

過去10年間、スピドロインタンパク質とクモの糸に関する研究が盛んに行われ、その弾力性や強度といった特性を活用しようとしています。クモの糸は様々な産業で利用されており、バイオメディカル分野における応用範囲は日々拡大しています。例えば、軍事・防衛産業では、この繊維で作られた防弾チョッキが使用されています。

組換えスピドロインは、遺伝子配列の長さのために手順に若干の困難があったものの、真核細胞と原核細胞の両方で取得に成功している。発現とクローニング研究のおかげで、スピドロインの大規模生産が可能になり、新しいバイオマテリアルの製造に新たな可能性がもたらされる。[13]組換えジョロウグラインタンパク質を著しく多く発現する遺伝子組み換えタバコとジャガイモの植物を作出する試みがなされている。[14]

さらに、スピドロインから開発された繊維は、in vitro（試験管内）の細胞培養、そして豚などの動物におけるin vivo（生体内）において、炎症反応や生体反応の兆候が見られなかったことから、耐容性が確認されています。これらの結果は、生体適合性の問題を心配することなく医療に利用できる可能性を示唆しており、組織工学や再生医療において多くの新たな可能性につながる可能性があります。

クモがミセル中にスピドロインを産生する仕組みは、組み換えタンパク質の大量生産法の着想につながりました。スピドロインN末端ドメインのpH非感受性、電荷反転変異体をタンパク質に融合することで、大腸菌においてより可溶性の高いタンパク質を生産することが可能になります。[15]

その他のシルクの種類

タンパク質ドメイン
管状（卵嚢）絹糸構造ドメイン
識別子
シンボルRP1-2
ファムPF12042
インタープロIPR021915
キャス2mqa
利用可能なタンパク質構造:
ファム  構造 / ECOD  
PDBRCSB PDB; PDBe; PDBj
PDBサム構造の概要

他の種類のクモ糸に含まれるシルクタンパク質も、スピドロインと呼ばれることがあります。これらには、管状シルクタンパク質（TuSP）、鞭毛状シルクタンパク質（Flag; O44358 - Q9NHW4 - O44359）、小瓶状シルクタンパク質（MiSp; K4MTL7）、腺房状シルクタンパク質（AcSP）、梨状シルクタンパク質（PySp）、凝集シルク接着剤（ASG2/AgSp）が含まれます。これらの異なるシルクタンパク質は、MaSPとともに、タンパク質ドメイン、反復配列、プロモーターにおいて互いにある程度の相同性を示しますが、それぞれの機能を果たすために、これらの部分に独自の特徴やバリエーションも持っています。[16] [17] [18]これらの共通点は、これらすべての異なる種類のシルクに見られるタンパク質の共通の起源を示唆しています。[1] [10]

人工生産

2020年7月、理化学研究所の研究チームは、遺伝子組み換えR. sulfidophilumの変異体を用いてスピドロインを生産することに成功したと報告した。[19] [20]

参照

参考文献

  1. ^ ab Ayoub NA, Garb JE, Kuelbs A, Hayashi CY (2013年3月). 「獲物を包むシルクタンパク質（AcSp1）の完全遺伝子配列によって明らかになったクモ糸の古代の特性」. Molecular Biology and Evolution . 30 (3): 589– 601. doi : 10.1093/molbev/mss254 . PMC  3563967. PMID  23155003 .
  2. ^ Motriuk-Smith D, Smith A, Hayashi CY, Lewis RV (2005). 「主要アンプルラートクモ糸タンパク質における保存されたN末端ドメインの解析」Biomacromolecules . 6 (6): 3152–9 . doi :10.1021/bm050472b. PMID  16283740.
  3. ^ Moisenovich MM, Pustovalova O, Shackelford J, Vasiljeva TV, Druzhinina TV, Kamenchuk YA, et al. (2012年5月). 「組換えスピドロイン1スキャフォールドを用いた生体内組織再生」. Biomaterials . 33 (15): 3887–98 . doi :10.1016/j.biomaterials.2012.02.013. PMID  22364702.
  4. ^ Arakawa K、Kono N、Malay AD、Tateishi A、IFuku N、Masnaga H、et al. (2022 年 10 月)。 「1000 個のクモの絹目: 配列と絹の物理的特性の関連付け」。科学の進歩。8 (41) eabo6043。Bibcode :2022SciA....8O6043A。土井：10.1126/sciadv.abo6043。PMC 9555773。PMID  36223455。 
  5. ^ Askarieh G, Hedhammar M, Nordling K, Saenz A, Casals C, Rising A, et al. (2010年5月). 「クモ糸タンパク質の自己組織化はpH感受性リレーによって制御される」. Nature . 465 (7295): 236–8 . Bibcode :2010Natur.465..236A. doi :10.1038/nature08962. PMID  20463740. S2CID  4366005.
  6. ^ Xu M, Lewis RV (1990年9月). 「タンパク質スーパーファイバーの構造：クモのドラグラインシルク」. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America . 87 (18): 7120–4 . Bibcode :1990PNAS...87.7120X. doi : 10.1073/pnas.87.18.7120 . PMC 54695. PMID 2402494  . 
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  8. ^ Sponner A, Vater W, Rommerskirch W, Vollrath F, Unger E, Grosse F, et al. (2005年12月). 「保存されたC末端はクモ糸フィブロインの特性に寄与する」.生化学および生物理学的研究コミュニケーション. 338 (2): 897– 902. doi :10.1016/j.bbrc.2005.10.048. PMID  16253207.
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  19. ^ 「光合成細菌が作るクモの糸」. phys.org . 2020年8月16日閲覧。
  20. ^ Foong CP, Higuchi-Takeuchi M, Malay AD, Oktaviani NA, Thagun C, Numata K (2020年7月). 「クモ糸生産のためのプラットフォームとしての海洋光合成微生物細胞工場」. Communications Biology . 3 (1). Springer Science and Business Media LLC: 357. doi :10.1038/s42003-020-1099-6. PMC 7343832. PMID 32641733  .  テキストと画像は Creative Commons Attribution 4.0 International License に基づいて利用できます。

さらに読む

  • Li V.「クモの糸：化学構造」。今月の分子。ブリストル大学。
  • Altairac S (2008年9月30日). 「Spidroin」.タンパク質スポットライト. SIB スイス・バイオインフォマティクス研究所.
  • PDB : 3LR2 ​: Askarieh G, Hedhammar M, Nordling K, Saenz A, Casals C, Rising A, et al. (2010年5月). 「クモ糸タンパク質の自己組織化はpH感受性リレーによって制御される」. Nature . 465 (7295): 236–8 . Bibcode :2010Natur.465..236A. doi :10.1038/nature08962. PMID:  20463740. S2CID  : 4366005.
  • PDBe-KBのUniProt : Q05H60 (Major ampullate spidroin 1)のPDBで利用可能なすべての構造情報の概要。
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