概要

名古屋大学理学研究科の小嶋 誠司 教授、本間 道夫 名誉教授、大阪大学大学院生命機能研究科の木下 実紀 特任助教（常勤）、南野 徹 准教授（現国立遺伝学研究所・教授）、難波 啓一 特任教授（常勤）、名古屋大学工学研究科の中谷 肇 講師、鈴木 淳巨 准教授、名古屋大学トランスフォーマティブ生命分子研究所の三城 恵美 特任講師、大阪大学蛋白質研究所の高尾 敏文 特任教授は、海洋性ビブリオ菌の遊走運動を支える側べん毛を形成する蛋白質LafAが糖鎖修飾を受けることを明らかにしました。
病原細菌を含む多くの運動性細菌は、べん毛とよばれる細胞外に長く伸びたらせん繊維状の運動器官を回転させて運動します。べん毛は液体中を泳ぐ（遊泳）際に使われるだけでなく、固体表面を這うような運動（遊走）を行う際にも用いられます。遊走は、隣り合う細菌同士や固体表面と作用しながら進む複雑な運動であるため、遊泳に比べて遊走の仕組みは未だ謎に包まれています。本研究では、側べん毛による明瞭な遊走を示す海洋性ビブリオ菌を対象とし、側べん毛の繊維構造と特徴をクライオ電子顕微鏡による構造解析と質量分析を組み合わせて解き明かしました。その結果、側べん毛を構成するLafA蛋白質はべん毛繊維形成のコアとなるD0-D1ドメインのみを持ち、べん毛表面に露出したD1ドメインの５つのセリン残基が糖鎖修飾を受けていること、この糖鎖修飾を担うと予測される遺伝子を破壊するとべん毛繊維形成が阻害されることが分かりました。
本成果は、ビブリオ属菌の遊走を担う側べん毛が糖鎖修飾を受けていることを示す初めての報告であり、遊走と糖鎖修飾の関係を明らかにすることで、病原細菌の遊走を制御する新薬や方法の開発につながると期待されます。

研究背景と内容

生命現象の根幹を担うタンパク質は、細胞内で合成された後にさまざまな化学修飾を受けることが知られています。糖鎖修飾はその一つで、動物ではタンパク質の糖鎖修飾は広く知られており、さまざまな生命現象に広く関わっています。その一方で、たった一つの細胞から成る細菌では、タンパク質の糖鎖修飾はないと一時考えられていました。近年研究が進み、線毛やべん毛繊維といった、細菌の外側に形成される器官を構成するタンパク質において糖鎖修飾が見つかり、病原細菌の感染において重要な役割を果たすことが明らかになってきました。
運動能を持つ多くの細菌は、べん毛を運動装置として用い、溶液中を自由に泳ぎ回ったり(遊泳）、固体表面を這う（遊走）ことができます。べん毛は菌体外に長く伸びた螺旋（らせん）状の繊維で、根元の細胞表層に埋まったモーターが細胞膜を介したイオン駆動力によって回転すると、菌体は繊維を介し推進力を得て運動します。古くから研究が進められた遊泳に比べて、遊走は限られた条件と細菌で見つかってきていることもあり、研究が進んでおらずその仕組みは謎に包まれています。遊走は、栄養が豊富かつ湿り気のある表面において、細菌が集団となって成立する運動です。そのため、集団内で細菌同士が密にせめぎあう中、菌体からの分泌物と固体表面上の水分を使ってべん毛の束を回転させ、遊泳時に比べて高い推進力を得ていると考えられています。
海洋性ビブリオ菌は、固い培地の表面で培養すると円筒形の細胞の側面に遊走を担う側べん毛が多数形成されます（図１A）。実験室において、寒天プレート上で再現性よく遊走を示すことから、遊走のモデル生物として多くの研究者に用いられてきました。海洋性ビブリオ菌の側べん毛は、LafAと呼ばれる単一の繊維構成蛋白質（フラジェリン）で構成されることが分かっています。ゲノム解析の結果、興味深いことにlafA 遺伝子のすぐ隣に糖転移酵素と高い相同性を示すmaf 遺伝子が存在し（図１B）、LafAがMafにより糖鎖修飾を受ける可能性が考えられました。

そこで本研究グループはクライオ電子顕微鏡による構造解析と質量分析を組み合わせたアプローチにより、側べん毛繊維の構造解析から遊走のメカニズム解明に挑みました。側べん毛を単離精製し、クライオ電子顕微鏡により2.4 Åの分解能で構造を決定することができました（図２A, B）。LafAは小さいフラジェリンで、繊維のコアとなる部分であるD0-D1ドメインのみを持ち（図２C）、その構造はサルモネラ菌のフラジェリンであるFliCのD0-D1ドメインと非常によく似ていました。このことは、べん毛繊維の基本構造は異なる菌種でもよく保存されていることを示しています。
興味深いことに、クライオ電子顕微鏡の構造解析から、LafAのD1ドメインの表面に存在する5つのセリン残基に、追加の密度があることが分かりました。そこで繊維から単離したLafAを質量分析で調べたところ、これらセリン残基はシューダミン酸（pseudaminic acid）の修飾を受けていることが明らかとなり、追加の電子密度にシューダミン酸がうまく当てはまることが分かりました（図２D）。
この糖鎖修飾がlafA 遺伝子の隣にコードされるmaf 遺伝子産物により行われる可能性を検討するため、mafを欠失させた菌株を作成したところ、maf を持たない株では側べん毛の形成が見られず、遊泳と遊走が完全に失われることが分かりました。以上の結果から、海洋性ビブリオ菌の遊走を担う側べん毛の形成には、Mafが必須であることが明らかとなりました。現在のモデルを図３に示します。

研究成果のポイント

• 遊走運動を担う海洋性ビブリオ菌の側べん毛繊維の構造をクライオ電子顕微鏡を用いて2.4 Å（オングストローム）の解像度で決定し、分子モデルを構築した。
• 側べん毛繊維蛋白質LafAは他のべん毛繊維蛋白質フラジェリンに比べて小さく、繊維のコアを構成する保存されたD0-D1ドメインのみを持つことで他のべん毛より細い。
• 質量分析により、べん毛繊維構造表面を形成するD1ドメインの表面に存在する5つのセリン残基がシューダミン酸による単糖修飾を受けていることを発見。
• lafA 遺伝子のすぐ隣にある糖鎖転移酵素と高い相同性を示すmaf 遺伝子を欠失させると、側べん毛繊維形成が阻害されることを発見。

本研究成果が社会に与える影響（本研究成果の意義）

遊走は、モデル細菌の大腸菌やサルモネラ菌では限られた条件でのみ見出されるため、研究があまり進んでいませんでした。本研究では、海洋性ビブリオ菌の遊走を担う側べん毛が糖鎖修飾を受けること、側べん毛形成にはMafが必須であることを世界で初めて示しました。海洋性ビブリオの近縁種で、食中毒の原因菌である腸炎ビブリオも遊走することが知られています。本研究の知見をもとに、Mafを直接ターゲットとした、細菌感染症の予防や治療に効果のある新薬開発が期待されます。今後はMafがLafAを糖鎖修飾するのか、側べん毛形成のどの段階で糖鎖修飾が鍵となるのか、側べん毛繊維の糖鎖は遊走にどんな影響を及ぼすのか、などを明らかにしていきます。また、遊走と遊泳はともにべん毛装置を用いるため、より高い推進力を得る仕組みを明らかにできれば、エネルギー変換機構の多様性をより深く理解することにもつながります。

特記事項

本研究成果は、2026年11月2日付で国際学術雑誌「mBio」に掲載されました。

なお、本研究は、科研費 基盤研究B（JP23K27140）, 基盤研究C（JP24K09393）, AMED-BINDS（JP23am121003, JP24am121003, JP25am121003）, 大阪大学日本電子YOKOGUSHI協働研究所の支援のもとで行われたものです。