膜タンパク質の単離、精製、構造研究、機能解析に有用 ナノディスク

多くの膜タンパク質は、界面活性剤を含むバッファーを使用することでその安定性と活性を維持することができます。しかし、界面活性剤に感受性な膜タンパク質も存在し、これらには界面活性剤を含むバッファーは適さず、精製できない(精度や収量が低い）、安定性が低い(崩壊しやすい、または沈殿が激しい）、あるいは活性がない(おそらく膜タンパク質が界面活性剤に感受性であるか、その活性にはリン脂質二重層構造が必要)といった複数の問題があります。
この種の膜タンパク質には、ナノディスク技術が有用で、膜タンパク質の単離、精製、構造研究、および機能解析において役に立ちます。ここ稿では、ナノディスクの組成と構造、ナノディスクとリポソームの比較、および膜タンパク質へのナノディスクの適用について記載します。

Cosmo Bio would like to acknowledge and thank the WUHAN HUAMEI BIOTECH Co., Ltd for providing Nanodiscs information presented here.

ナノディスクの主な成分は合成リン脂質と膜足場タンパク質(MSPs)としても知られる両親媒性らせん状タンパク質です。膜足場タンパク質は血清アポリポタンパク質に付随する一方で、血清アポリポタンパク質は高密度リポタンパク質の主要成分です。2つの膜足場タンパク質は、リボン形状をとってリン脂質を囲んでいます(図１参照)。すなわち、円盤状のリン脂質二重層ナノディスクです。

図.１ 円盤状HDLの分子ベルトモデルを基にしたナノディスク構造の (a) 二重層に対して垂直、(b) 二重層平面からみたモデル図
膜足場タンパク質の２つの単量体（青とシアン）はリン脂質二重層（白色）-直径10nm- の区域周辺に両親媒性螺旋ベルトを形成する。

* The model is courtesy of S. C. Harvey^[1].

ナノディスク技術は、構造研究をはじめ、構造生物学、電子顕微鏡、NMR、EPR、および分光測定検出といった様々な技術分野に適用することができます。

表.１　ナノディスクに抱合された膜タンパク質に使用された手法やツール
SPR: 表面プラズモン共鳴; LSPR: 局在化SPR; CPR: NADPH-チトクロムP450還元酵素^[5].

In Vitro E.coliタンパク質発現とナノディスク技術を用いたアクアポリン発現

WUHAN HUAMEI BIOTECH社では、in vitro E.coli タンパク質発現とナノディスク技術を組み合わせ、あらかじめ合させたナノディスクをin vitro E.coli タンパク質発現システムに取り入れました。膜タンパク質の翻訳ステップでにこれをナノディスクに会合させ、膜タンパク質 - ナノディスク複合体を形成させました(図２)。この疑似的人工脂質環境は、膜タンパク質に対するさまざまな脂質の影響を分析する新規の手段となり、膜タンパク質の研究に役立ちます。

図.2 7つの膜貫通タンパク質が包埋されたMSPナノディスクの模式図
直径：およそ10.6 nm。

* Picture from Sligar.

図.3 ナノディスクとE.coli アクアポリンZ（aqpZ）を良好に会合した後のSDS-PAGE結果
図２に示したように、MSPと標的タンパク質である膜タンパク質aqpZの2つのバンドが確認できる。

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