Jun 02, 2025

糖を介したユビキチン化
（Glycoforum. 2025 Vol.28 (3), A13）
DOI: https://doi.org/10.32285/glycoforum.28A13J

吉田 雪子

吉田 雪子

氏名：吉田 雪子
公益財団法人東京都医学総合研究所 蛋白質代謝研究室 室長
1994年東京大学大学院農学系研究科応用生命工学専攻博士課程終了、理化学研究所フロンティア研究システム研究員を経て、1997年より東京都臨床医学総合研究所研究員。2009年より改組により東京都医学総合研究所研究員を経て、2023年より現職。 二つの翻訳後修飾である糖鎖とユビキチン鎖に着目した研究をライフワークとしている。

1. はじめに

ユビキチン-プロテアソームシステムは真核生物における主要なタンパク質分解系である。ユビキチン化は、タンパク質のリジン残基に起こる翻訳後修飾として知られている。通常、鎖状に連なったユビキチン鎖が形成され、鎖の形状により異なる作用を示す。最近、ユビキチン化は脂質や糖などのタンパク質以外の生体分子を修飾しうることが相次いで報告され、ユビキチンワールドは拡大の一途を辿っている。ここでは、希少疾患NGLY1欠損症でみられるプロテアソームの転写因子Nrf1の糖に起こるユビキチン化について紹介する。

2. タンパク質のユビキチン化反応

ユビキチン化は、ユビキチン活性化酵素（E1:２種類）、ユビキチン結合酵素（E2: ~30種類）、ユビキチンリガーゼ（E3: ~600種類）の３種類の酵素の働きで、ユビキチンのC末端のグリシン残基と基質タンパク質のリジン残基の側鎖のɛアミノ基がイソペプチド結合する反応である1-3。

ユビキチンは自身の７つのリジン（K6, K11, K27, K29, K33, K48, K63）やN末メチオニンを介して、様々な結合様式のユビキチン鎖が形成される。このうち、K48やK63 を介したユビキチン鎖は全体の70-90%を占める。K48鎖はプロテアソームによる分解シグナルとして機能すること、K63鎖はエンドサイトーシス始動のシグナルやDNA修復などに関わることが知られている4-6。

形成されたユビキチン鎖は役目が終わると、細胞内に存在する脱ユビキチン化酵素により取り除かれるため、ユビキチン化は可逆的な反応である（図 1）5。

図1
図 1. タンパク質のユビキチン化反応

3. 拡大するユビキチン化反応

プロテオーム解析により、これまでに6万箇所を超えるリジンのユビキチン化が確認されていることからも、リジンのユビキチン化は大部分を占めることは明らかである8。一方で、開始メチオニン（ペプチド結合）やセリン・スレオニン（オキシエステル結合）、システイン（チオエステル結合）などへのユビキチン化も報告されている9-12。

さらに最近、タンパク質のユビキチン化以外に、サルモネラ菌のリポポリサッカライド（LPS）のlipid Aやホスファチジルエタノールアミン（PE）などの脂質やADPリボースやグリコーゲンなどの糖にもユビキチンが結合することが相次いで発見された13-17。多くの場合、その意義は明らかとなっていないものの、ユビキチン修飾がこれまで考えられてきた以上に広範な修飾であり、未知の機能を担う可能性がある。

4. プロテアソームの転写因子Nrf1

ユビキチンープロテアソームシステムは細胞周期やDNA修復などあらゆる細胞機能制御に関わる生存に必須な反応系である18。プロテアソームは66個のサブユニットからなる巨大タンパク質複合体であるが、全てのサブユニットはNrf1という転写因子により発現制御が行われている19,20。Nrf1は一般的な転写因子とは異なり、非常に特徴的な制御を受けている（図 2）。すなわち、Nrf1は小胞体膜一回貫通型のN結合型糖鎖修飾を受けた糖タンパク質として合成される。しかし、小胞体内腔側に大きな非構造領域を持つため、小胞体で異常タンパク質として認識され、p97によって小胞体から引き抜かれ、細胞質のプロテアソームにより分解される「小胞体関連分解」と呼ばれる機構により品質管理を受ける21,22。そのため、通常はほとんど細胞内にNrf1タンパク質は存在しない。しかし、プロテアソーム活性が低下すると、分解を免れて、核移行してプロテアソームの転写誘導を行い、新生プロテアソームの合成がなされる。Nrf1が転写因子として機能するためには、N末端領域がDDI2というペプチダーゼにより切断されることとNGLY1という脱糖鎖酵素によって、糖鎖除去を受けることが必要であることが報告されている23-26。このNGLY1の潜性遺伝の希少疾患NGLY1欠損症ではプロテアソームの発現低下が見られる27。

図2
図 2. プロテアソーム活性阻害時におけるNrf1によるプロテアソームの発現誘導機構
平常時にはNrf1は小胞体関連分解により分解されている。プロテアソーム活性が阻害されると、小胞体から核へ行き、新たなプロテアソームを合成すべく、転写誘導を行う。Nrf1はNGLY1による脱糖鎖とDDI2によるプロセシングによる活性化が必要である。

5. 細胞質における糖鎖関連酵素の連関

NGLY1欠損症のモデル生物として、線虫やハエ、マウスやラットなどのNGLY1オルソログのノックアウト生物が作出され解析されている28-30。その中で、研究室で汎用されるB6系統のNgly1-KOマウスは胚性致死となることから、胚発生の過程においてNGLY1活性は必須であると考えられる（図 3）31。一方で、細胞質のもう一つの脱糖鎖酵素ENGASEとの二つの遺伝子欠損マウスは出生し、NGLY1欠損症で見られるような全身性の異常を持ちながらも発育する31。興味深いことに、細胞質に存在するSCF複合体型ユビキチンリガーゼのコンポーネントである糖鎖認識サブユニットFBS232とNGLY1の二つの遺伝子欠損マウスは普通に生まれてきて異常なく発育することから、Ngly1-KOの胚性致死性はFBS2によるユビキチン化活性に起因しているものと考えられる33。さらに、培養細胞においてもNGLY1-KO細胞にFBS2を過剰発現させると細胞増殖ができずに、細胞死が起こることからも、NGLY1がない状況ではFBS2によるユビキチン化が細胞にダメージを与えることが示された33。

図3
図 3. 細胞質における３つの糖鎖関連酵素の酵素活性(A)とマウスの表現系(B)
(A) NGLY1はN結合型糖鎖を根本から切断することで糖鎖がついたアスパラギンをアスパラギン酸にする。ENGASEはN結合型糖鎖の根本のGlcNAc間を切断する。SCFFBS2はN結合型糖鎖を認識してユビキチンをつけるユビキチンリガーゼ複合体である。
(B) Ngly1遺伝子欠損マウスはB6系統において胚性致死となるが、ENGaseまたはFbs2遺伝子との二重遺伝子欠損マウスは出生する。細胞質糖タンパク質の推定されるN結合型糖鎖の形状を記載した。

6. FBS2によるNアセチルグルコサミン（GlcNAc）のユビキチン化

NGLY1-KO細胞において、FBS2を過剰発現するとNrf1の高度なユビキチン化が検出される。しかし、NGLY1:ENGASE-dKO細胞ではFBS2によるNrf1のユビキチン化は検出されず、Nrf1のユビキチン化にはENGASEの脱糖鎖活性が必要であった34。また、FBS2に認識されるN結合型糖鎖は中央の部分に限局しているが、その部分には全くリジンは存在していない（図 4）。ENGASEはN結合型糖鎖の根本の2つのGlcNAc間を切断するため、Nrf1のアスパラギンにGlcNAcを残すことより（図 3A）、このGlcNAcにユビキチン化が起こる可能性を考え、合成糖ペプチドを用いて試験管内ユビキチン化再構成系を用いて解析を行った。その結果、このユビキチン化の通常とは異なる様々な特徴が明らかとなった（図 5）。まず、このユビキチン化は糖鎖近傍のセリン・スレオニンの水酸基とENGASEで切り出されたGlcNAcの６位の水酸基のいずれにもオキシエステル結合を介して起こりうることが判明した。これは、糖鎖の近傍にリジンがないというNrf1の特別な構造によるものと考えられる。また、糖鎖認識ユビキチンリガーゼ複合体SCFFBS2単独ではこのユビキチン化は起こらず、もう一つ別のユビキチンリガーゼARIH1が必要であった。ARIH1はSCF複合体などのCullin-RING型ユビキチンリガーゼを形成するユビキチンリガーゼのCullinがNEDD8修飾を受けた場合に結合することが知られているユビキチンリガーゼである。しかし、今回のように全ユビキチン化反応に必須である例はほとんど知られていなかった35,36。さらにはこのユビキチン鎖はK48鎖を含んでいるもののK6,K11,K33も含んだ非常に複雑なユビキチン鎖であるということであった。SCFFBS2が糖鎖を掴んで、ARIH1が別の糖やセリン・スレオニンにユビキチンをオキシエステル結合することで生じたユビキチン鎖は、Nrf1の核移行を阻害し、細胞質へ留めることにより、Nrf1の転写活性を阻害した34。

図4
図 4. Nrf1の糖鎖付加部位とユビキチン化を受け得るリジンの位置
図5
図 5. 糖鎖認識ユビキチンリガーゼSCFFBS2–ARIH1複合体によるNrf1の型破りなユビキチン化機構

7. おわりに

今回私たちの研究で糖タンパク質の糖にもユビキチン化が起こることが示された。ユビキチン化に関わる酵素は細胞質や核に存在するのに対し、通常糖鎖は細胞外や分泌経路のオルガネラ（小胞体、ゴルジ体、リソソーム、エンドソーム）の内部に存在し、両者は膜で隔てられている。そのため、糖タンパク質がユビキチン化を受けるためには、細胞質や核などに出現する必要がある37。Nrf1の場合は小胞体関連分解によるものと考えられるが、細菌や外来の細胞への侵入物がオルガネラにダメージを与えた場合など、様々な可能性が考えられよう。今回のような糖タンパク質の糖のユビキチン化が他のタンパク質でもみられるものなのか、タンパク質以外のユビキチン化がまだまだ見つかるのか、今後の研究の発展が楽しみである

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