細菌毒素が膜に「孔」を開ける過程をクライオ電子顕微鏡で捉えた―ドミノ倒しのように進む段階的な構造変化を解明―

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2026-09-30 京都産業大学

京都産業大学と京都大学の研究グループは、食中毒などの原因となるウェルシュ菌が産生する細菌毒素について、細胞膜に「孔(ポア)」を形成する過程をクライオ電子顕微鏡で解析した。これまで、この毒素がどのような手順で膜孔を完成させるのかは十分に解明されていなかった。今回、研究チームは膜孔形成の途中にある複数の構造状態を捉え、7個のタンパク質分子が「ドミノ倒し」のように順番に構造を変化させながら最終的な膜孔を形成することを明らかにした。さらに、膜孔に存在する「Φクランプ」と呼ばれる構造が、形成過程で重要な役割を担うことも判明した。これらの成果は、細菌毒素が細胞を傷害する分子機構の理解を深めるだけでなく、将来的にはナノサイズのポアを利用した医療技術や、薬物を細胞内へ送達する技術の開発にもつながる可能性がある。

細菌毒素が膜に「孔」を開ける過程をクライオ電子顕微鏡で捉えた―ドミノ倒しのように進む段階的な構造変化を解明―

<関連情報>

クライオ電子顕微鏡解析によって明らかになった二成分毒素ポアの段階的成熟機構Step-by-step maturation mechanism of the binary toxin pore revealed by cryo-EM analysis

Tomohito Yamada, Ren Nakanishi, Yukihiko Sugita, +3 , and Hideaki Tsuge
Proceedings of the National academy of Sciences  Published:September 28, 2026
DOI:https://doi.org/10.1073/pnas.2627537123

Abstract

Membrane pore-forming proteins (PFPs) form ring-shaped membrane-translocating oligomers on membranes, contributing to infection, immunity, and cell death functions. Binary toxins produced by some bacteria consist of an enzymatic component that acts as a toxin and a membrane-binding component that forms a pore that delivers the enzymatic component into target cells. Cryoelectron microscopy (cryo-EM) has advanced our understanding of these translocation mechanisms by revealing several binary toxin complexes’ structures. However, the mechanisms underlying the initial pore formation remain unclear. We determined the structures of several oligomeric forms of the membrane-binding component Ib of the iota toxin from Clostridium perfringens at various stages of pore formation. Structural comparisons revealed how the symmetrically arranged soluble oligomer (prepore) asymmetrically matures into a transmembrane oligomer (pore). These findings enhance our understanding of mechanisms of PFP and provide a structural basis for developing nanodevices using membrane pores.

生物化学工学
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