このページはRCSBの David S. Goodsell博士による「Molecule of the Month」2008年7月の記事を日本語に訳したものです。転載・引用については利用規約をご覧下さい。
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:翻訳 工藤高裕 (PDBj)

デングウイルスのエンベロープタンパク質(上:120量体 PDB:1k4r、下:酸性条件下での別構造3量体 PDB:1ok8)

デングウイルス(Dengue virus)は、熱帯地方において健康を脅かす主因となっているウイルスである。このウイルスは熱帯地方にだけみられるものだが、それは熱帯性の蚊によって伝搬されることによる。このように地域が限られているにも関わらず、毎年5000万〜1億人が感染している。ほとんどの感染者はひどい頭痛、発熱、紅斑が1〜2週間続くデング熱を経験する。但し、ウイルスは循環器系を弱らせ、致命的な出血を引き起こすこともある。研究者たちは現在積極的にウイルスを研究し、感染の治療薬や、感染を予防するワクチンの開発を目指している。

デングウイルスのゲノム

デングウイルスはゲノムを1本鎖RNAで持つ小さなウイルスである。ゲノムにコードされているタンパク質はたったの10個である。そのうち3つは構造タンパク質で、ウイルスを包みRNAを標的の細胞へと運ぶ。あと7つは非構造タンパク質で標的細胞に入ってから協同して新しいウイルスを作り出す。右図上に示したのはPDBエントリー 1k4r から得られた最も外側の構造タンパク質で、エンベロープタンパク質(envelope protein)と呼ばれるものである。ウイルスは脂質膜で包まれ、その外側に180個の同じエンベロープタンパク質が短い膜貫通断片を介して付加されている。エンベロープタンパク質の役割は標的細胞の表面にくっついて感染過程を開始することである。

致命的スイッチ

ウイルスが感染型である時は、エンベロープタンパク質がウイルスの表面で平らに並んで、正二十面体の対称性を持った滑らかな包みを形成する。ところが、ウイルスが細胞やリソソーム(lysosome)に運び込まれると、酸性環境によってタンパク質は別の形に変わる。右図下に示したPDBエントリー 1ok8 の構造は、3つの分子が集まってくぎ状になったものである。このくぎの先には明るい赤で示した疎水性アミノ酸があって、これがリソソームの膜に差し込まれ、ウイルスの膜とリソソームの膜が融合する。その結果RNAが細胞内に放出され、感染が始まる。インフルエンザウイルスの表面にある 赤血球凝集素 タンパク質も似た役割を持っているが、その機構は全く異なっている。

デングワクチン探し

デングウイルスワクチンの開発は難しいことが分かっている。理由の一つは、デングウイルスには4つの主要亜型があって、それぞれウイルスタンパク質が少しずつ異なっていることによる。致命的出血は、そのうちの一つの亜型に感染し、その後別の亜型に感染した時に起こると現在では考えられている。最初の感染によって得られた抗体と免疫は、別の亜型の感染を手助けしていて、全ての亜型に対する免疫とはならないことが明らかになっている。このことは、有効なワクチンは同時に4つの亜型に対抗する抗体の産生を促す必要があることを意味するが、その偉業はまだ達成されていない。

新たなウイルス作り

左:メチル基転移酵素とポリメラーゼ(PDB:1l9k、2j7w) 右:タンパク質分解酵素とヘリカーゼを含むNS3(PDB:2vbc)

デングウイルスは一旦細胞内に入ると、新しいウイルスを作るためのタンパク質も作る。上図には、その中で主なものを2つ示した。どちらも複合機能タンパク質で、いくつかの酵素を一緒にしたものである。上図左に示したのはPDBエントリー 1l9k とPDBエントリー 2j7w から得られた NS5 で、これにはメチルトランスフェラーゼ(メチル基転移酵素、methyltransferase)とポリメラーゼ(polymerase)が含まれる。一方上図右に示したのはPDBエントリー 2vbc から得られた NS3 でタンパク質分解酵素とヘリカーゼを含む。いずれの酵素もそれぞれ異なる生活環の段階を司っている。ポリメラーゼはウイルスRNAに基づいて新しいRNA鎖を作り、ヘリカーゼはこれらの鎖を分離するのを助け、メチル基転移酵素はメチル基を鎖の末端に付加し、細胞のリボソームにうまくウイルスのタンパク質を作らせるようにする。ウイルスのタンパク質は1本の長いポリタンパク質鎖として作られ、最終的にはタンパク質分解酵素によって機能単位へと切り離される。青で示した短い鎖は、他のウイルスタンパク質 NS2B の一部で、これはタンパク質分解酵素活性を手助けしている。

構造をみる

180個のデングウイルスエンベロープタンパク質(白)表面に120個の抗体Fab断片(青)が結合したもの(PDB:2r6p)

上の画像をクリックすると画像を対話的操作のできるモードに切り替えることができます。

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クライオ電子顕微鏡(低温電子顕微鏡)は、デングウイルスの生活環について様々な観点から研究するのに用いられてきた。これらの構造は、まず電子顕微鏡によって得られたウイルスの低分解能の画像(原子を見るには十分ではない)を用い、それに個々の断片の原子構造を当てはめて最終的な構造模型を作ったものである。ここに示したのは PDBエントリー 2r6p のもので、ウイルスの表面にあるエンベロープタンパク質(白)にたくさんの抗体Fab断片(青)が結合している状態を示している。研究者たちはこの構造をよく見て、抗体がエンベロープタンパク質の並びをゆがめ、感染時の通常作用を阻害していることを発見した。PDBには、別のデングウイルスの構造も登録されており、未成熟型のウイルス構造(例:PDBエントリー 1n6g )やウイルス被膜の一部がエンベロープにかかっている構造(例:PDBエントリー 1p58 )などを見ることができる。

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PDB ID Title Authors Publication Year Journal Name Volume No First Page Pubmed ID
1bef Dengue virus NS3 serine protease. Crystal structure and insights into interaction of the active site with substrates by molecular modeling and structural analysis of mutational effects. Murthy, H.M., Clum, S., Padmanabhan, R. 1999 J.Biol.Chem. 274 5573 10026173
1df9 Crystal structure of Dengue virus NS3 protease in complex with a Bowman-Birk inhibitor: implications for flaviviral polyprotein processing and drug design. Murthy, H.M., Judge, K., DeLucas, L., Padmanabhan, R. 2000 J.Mol.Biol. 301 759 10966782
1k4r Structure of dengue virus: implications for flavivirus organization, maturation, and fusion. Kuhn, R.J., Zhang, W., Rossmann, M.G., Pletnev, S.V., Corver, J., Lenches, E., Jones, C.T., Mukhopadhyay, S., Chipman, P.R., Strauss, E.G., Baker, T.S., Strauss, J.H. 2002 Cell 108 717 11893341
1l9k An RNA cap (nucleoside-2'-O-) methyltransferase in the flavivirus RNA polymerase NS5: crystal structure and functional characterization Egloff, M.P., Benarroch, D., Selisko, B., Romette, J.L., Canard, B. 2002 Embo J. 21 2757 12032088
1n6g Structures of Immature flavivirus particles Zhang, Y., Corver, J., Chipman, P.R., Zhang, W., Pletnev, S.V., Sedlak, D., Baker, T.S., Strauss, J.H., Kuhn, R.J., Rossmann, M.G. 2003 EMBO J. 22 2604 12773377
1oan A ligand-binding pocket in the dengue virus envelope glycoprotein. Modis, Y., Ogata, S., Clements, D., Harrison, S.C. 2003 Proc.Natl.Acad.Sci.Usa 100 6986 12759475
1oke
1ok8 Structure of the dengue virus envelope protein after membrane fusion. Modis, Y., Ogata, S., Clements, D., Harrison, S.C. 2004 Nature 427 313 14737159
1p58 Visualization of membrane protein domains by cryo-electron microscopy of dengue virus Zhang, W., Chipman, P.R., Corver, J., Johnson, P.R., Zhang, Y., Mukhopadhyay, S., Baker, T.S., Strauss, J.H., Rossmann, M.G., Kuhn, R.J. 2003 Nat.Struct.Biol. 10 907 14528291
1r6a A structural basis for the inhibition of the NS5 dengue virus mRNA 2'-O-methyltransferase domain by ribavirin 5'-triphosphate. Benarroch, D., Egloff, M.P., Mulard, L., Guerreiro, C., Romette, J.L., Canard, B. 2004 J.Biol.Chem. 279 35638 15152003
1r6r Solution structure of dengue virus capsid protein reveals another fold Ma, L., Jones, C.T., Groesch, T.D., Kuhn, R.J., Post, C.B. 2004 Proc.Natl.Acad.Sci.USA 101 3414 14993605
1tg8 Conformational changes of the flavivirus e glycoprotein Zhang, Y., Zhang, W., Ogata, S., Clements, D., Strauss, J.H., Baker, T.S., Kuhn, R.J., Rossmann, M.G. 2004 Structure 12 1607 15341726
1thd
1tge Conformational changes of the flavivirus e glycoprotein. Zhang, Y., Zhang, W., Ogata, S., Clements, D., Strauss, J.H., Baker, T.S., Kuhn, R.J., Rossmann, M.G. 2004 Structure 12 1607 15341726
1uzg Variable surface epitopes in the crystal structure of dengue virus type 3 envelope glycoprotein. Modis, Y., Ogata, S., Clements, D., Harrison, S.C. 2005 J.Virol. 79 1223 15613349
2b6b Cryo-EM reconstruction of dengue virus in complex with the carbohydrate recognition domain of DC-SIGN Pokidysheva, E., Zhang, Y., Battisti, A.J., Bator-Kelly, C.M., Chipman, P.R., Xiao, C., Gregorio, G., Hendrickson, W.A., Kuhn, R.J., Rossmann, M.G. 2006 Cell 124 485 16469696
2bhr Structure of the Dengue virus helicase/nucleoside triphosphatase catalytic domain at a resolution of 2.4 A. Xu, T., Sampath, A., Chao, A., Wen, D., Nanao, M., Chene, P., Vasudevan, S.G., Lescar, J. 2005 J.Virol. 79 10278 16051821
2bmf
2fom Structural basis for the activation of flaviviral NS3 proteases from dengue and West Nile virus. Erbel, P., Schiering, N., D'Arcy, A., Renatus, M., Kroemer, M., Lim, S.P., Yin, Z., Keller, T.H., Vasudevan, S.G., Hommel, U. 2006 Nat.Struct.Mol.Biol. 13 372 16532006
2fp7
2h0p Solution structure of the envelope protein domain III of dengue-4 virus. Volk, D.E., Lee, Y.C., Li, X., Thiviyanathan, V., Gromowski, G.D., Li, L., Lamb, A.R., Beasley, D.W., Barrett, A.D., Gorenstein, D.G. 2007 Virology 364 147 17395234
2ijo Structural evidence for regulation and specificity of flaviviral proteases and evolution of the Flaviviridae fold. Aleshin, A.E., Shiryaev, S.A., Strongin, A.Y., Liddington, R.C. 2007 Protein Sci. 16 795 17400917
2j7u Crystal Structure of the Dengue Virus RNA-Dependent RNA Polymerase Catalytic Domain at 1.85 Angstrom Resolution. Yap, T.L., Xu, T., Chen, Y.L., Malet, H., Egloff, M.P., Canard, B., Vasudevan, S.G., Lescar, J. 2007 J.Virol. 81 4753 17301146
2j7w
2jsf Solution structure and neutralizing antibody binding studies of domain III of the dengue-2 virus envelope protein. Huang, K.C., Lee, M.C., Wu, C.W., Huang, K.J., Lei, H.Y., Cheng, J.W. 2008 Proteins 70 1116 18004779
2p1d An RNA cap (nucleoside-2'-O)-methyltransferase in the flavivirus RNA polymerase NS5: crystal structure and functional characterization Egloff, M.P., Benarroch, D., Selisko, B., Romette, J.L., Canard, B. 2002 EMBO J. 21 2757 12032088
2p3l Structural and functional analysis of methylation and 5'-RNA sequence requirements of short capped RNAs by the methyltransferase domain of dengue virus NS5 Egloff, M.P., Decroly, E., Malet, H., Selisko, B., Benarroch, D., Ferron, F., Canard, B. 2007 J.Mol.Biol. 372 723 17686489
2p3o
2p3q
2p40
2p41
2qid Crystal Structure of Dengue Virus Ns3 Protease in Complex with a Bowman-Birk Inhibitor: Implications for Drug Design. Murthy, K.H.M., Judge, K., Delucas, L., Padmanabhan, R. n/a To be Published n/a n/a n/a
2r29 Binding of a neutralizing antibody to dengue virus alters the arrangement of surface glycoproteins. Lok, S.M., Kostyuchenko, V., Nybakken, G.E., Holdaway, H.A., Battisti, A.J., Sukupolvi-Petty, S., Sedlak, D., Fremont, D.H., Chipman, P.R., Roehrig, J.T., Diamond, M.S., Kuhn, R.J., Rossmann, M.G. 2008 Nat.Struct.Mol.Biol. 15 312 18264114
2r69 Binding of a neutralizing antibody to dengue virus resulted in an altered arrangement of the surface glycoproteins Lok, S.M., Kostyuchenko, V., Nybakken, G.E., Holdaway, H.A., Battisti, A.J., Sukupolvi-Petty, S., Sedlak, D., Fremont, D.H., Chipman, P.R., Roehrig, J.T., Diamond, M.S., Kuhn, R.J., Rossmann, R.G. n/a To Be Published n/a n/a n/a
2r6p
2vbc Crystal Structure of the Ns3 Protease-Helicase from Dengue Virus. Luo, D.H., Xu, T., Hunke, C., Gruber, G., Vasudevan, S.G., Lescar, J. 2008 J.Virol. 82 173 17942558
3c5x The flavivirus precursor membrane-envelope protein complex: structure and maturation. Li, L., Lok, S.M., Yu, I.M., Zhang, Y., Kuhn, R.J., Chen, J., Rossmann, M.G. 2008 Science 319 1830 18369147
3c6e
3c6d The flavivirus precursor membrane-envelope protein complex: structure and maturation Li, L., Lok, S.M., Yu, I.M., Zhang, Y., Kuhn, R.J., Chen, J., Rossmann, M.G. 2008 Science 319 1830 18369147
3c6r Structure of the immature dengue virus at low pH primes proteolytic maturation Yu, I.M., Zhang, W., Holdaway, H.A., Li, L., Kostyuchenko, V.A., Chipman, P.R., Kuhn, R.J., Rossmann, M.G., Chen, J. 2008 Science 319 1834 18369148

理解を深めるためのトピックス

  1. デングウイルスは180個のエンベロープタンパク質で囲まれています。他にも同じタンパク質が集まってできたカプシドによって囲まれたウイルスはたくさんありますが、そのタンパク質数は60の倍数(180、240、420など)であることがよくあります。これらの数は何を意味しているのでしょうか?それぞれの事例をPDBから探してみてください。
  2. デングウイルスはフラビウイルス科(Flaviviridae family)に属するウイルスで、マダニや蚊によって広められます。この科には他に、黄熱病ウイルス(yellow fever virus)や西ナイルウイルス(West Nile virus)も属しています。PDBにある構造を見て、これらのウイルスが作るタンパク質もデングウイルスのものと似ていることを確かめてみてください。
  3. デングウイルスは感染した細胞の細胞質で複製を行い、細胞の核には入りません。これによって起こりうる問題が何なのか、そしてその問題をどのようにして10種しかないウイルスタンパク質を使って解決しているのか分かりますか?

参考文献

当記事を作成するに当たって参照した文献は以下の通りです。

  • S. Mukhopadhyay, R. J. Kuhn and M. G. Rossmann 2005 A structural perspective of the Flavivirus life cycle. Nature Reviews Microbiology 3 13-22
  • S. S. Whitehead, J. E. Blaney, A. P. Durbin and B. R. Murphy 2007 Prospects for a dengue virus vaccine. Nature Reviews Microbiology 5 518-528
  • S. B. Halstead 2007 Dengue. Lancet 370 1644-1652
  • R.-F. Qi, L. Zhang and C.-W. Chi 2008 Biological characteristics of dengue virus and potential targets for drug design. Acta Biochimica et Biophysica Sinica 40 91-101



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2008-07-01 (last edited: 7 months ago)2016-09-09
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