（1）ADPリボシル化毒素の作用機作と基質特異性

タンパク質を標的としたADPリボシル化酵素の基質認識機構は共通：多くの細菌は外毒素を用いて我々宿主の細胞のアクチン細胞骨格系に影響を与え、自分の生存に活かしていると考えられる。特にこの仲間にADPリボシル化毒素は多い。ADPリボシル化毒素を基質の違いで大きく分けると４つのタイプに分類でき、この内Type IIIとType IVの毒素はアクチン細胞骨格系に影響を及ぼす。特にC3毒素はAsn、IaはArgと修飾されるアミノ酸の特異性に興味をもち、研究を開始した。2003年我々はウェルシュ菌のIaのX線結晶構造解析を行った（JMB 2003 Tsuge et al.）。結晶構造解析により補酵素NADとの結合が見えてくる。これにより、反応機構が議論できる。多くの海外の研究室でも毒素単体の構造は解析されてきた。しかし何かが足りない。反応を考える上で必要なのは基質となるタンパク質である。例えばプロテアーゼの構造研究の場合、一般に基質がわかれば、その基質類似のペプチドとの複合体構造が期待できる。一方、ADPリボシル化毒素の場合は、基質となるペプチドはなく、その基質はタンパク質全体である。このADPリボシル化毒素と基質タンパク質全体の複合体構造を明らかにしたいと思い、さらに研究を進めた。

我々のグループが明らかにした複合体はType IVのIaとアクチン複合体（PNAS 2008 Tsuge et al., PNAS 2013 Tsurumura et al.）、およびType IIIのC3とRhoAの複合体（JBC 2015 Toda et al.）である（この２つの複合体Ia-actinとC3-RhoAの構造図はホームページトップに掲載している）。特にType IVとType IIIの毒素では、その基質は全く異なり修飾するアミノ酸も異なる。しかし、基質の認識機構は共通であることを明らかにした。（基質タンパク質とのADPリボシル化酵素複合体はこの他ほとんど解明されていない）

ADPリボシル化酵素の基質認識機構は基質がDNAでもタンパク質でも共通である：最近、ADPリボシル化の基質はタンパク質だけであるという常識が覆り、DNA（グアニン塩基）のADPリボシル化が知られるようになった。最初に見つかったのはモンシロチョウの蛹にあるピエリシンである（国立がんセンター、杉村隆先生グループ）。寄生蜂に対抗する毒素として働くと考えられているが、その詳細な存在理由はわかっていない。さらにDNA基質のADPリボシル化酵素として放線菌由来のScARPが見出された。我々はScARPとGDP(基質)、補酵素NADの複合体の構造を明らかにした。驚いたことに、ADPリボシル化酵素の基質認識はタンパク質、アミノ酸でもDNA、グアニンでも同じ場所に酵素、基質、補酵素NAD関係があるーことがわかった（J. Biol. Chem. 293, 13768-13774 (2018)）。さらにハマグリにはCARP1があることがわかっており、この基質特異性も興味を持って研究を進めている。

二成分毒素のタンパク質膜透過機構の解明：その詳細はまだ未解明

ADPリボシル化酵素のIaはIbというタンパク質膜透過装置を対となって働くことが知られており、エンドソームを介してIaを宿主細胞へ取り込むために重要な役割をしている。我々は、Ibのタンパク質膜透過装置の機能を明らかにするために、クライオ電子顕微鏡を用いて、その構造を明らかにしてきた。Ibは７量体の膜孔を形成し、エンドソーム膜に小さな孔を開ける。この上にIaが結合して、エンドソームの酸性状態で、Iaは解けて、膜孔を透過し細胞膜に移行すると考えられている。二成分で膜透過を起こすこの機能の解明を目的として、クライオ電子顕微鏡の構造だけでなく、１分子の電気生理測定を行い、その機能解析を進めている。ウェルシュ菌のイオタ毒素のIa-Ib複合体の構造を報告し（Nat Struct & Mol Biol. 27(3):288-296. (2020)）、さらに抗生物質耐性菌が問題となっているディフィシル菌の二成分毒素のCDTa-CDTb複合体の構造を明らかにした（Nature Communications 13(1);6119）。現在、哺乳類の受容体LSRとの複合体を明らかにすべく研究を進めている。

これらの一連のADPリボシル化に関わる研究で津下は2023年度ビタミン学会の学会賞を受賞した。詳細は、１）生化学ミニれびゅう及び 結晶学会誌の２）X線結晶学者のためのクライオ電子顕微鏡解析の手引きを参照ください。

（2）リボソーム不活性化毒素の作用機構とウイルス不活性化の機構の解明

オシロイバナの根にはMAP（オシロイバナ 抗ウイルスタンパク質）が含まれている。我々は30年前に日本たばこ産業（JT）の生命科学研究所で根からのMAPの結晶化を行い、結晶構造を明らかにしようとしたが、残念ながら決定には至らなかった。2025年、大腸菌での発現と結晶化に成功し、結晶構造解析により、その構造を明らかにした。リボソームのリシンサルシンループと呼ばれる、GTPaseセンターから特異的にadenine塩基を引き抜く活性を持つ。AlphaFoldでMAPとこのループの複合体構造を予測し、さらに、詳細を明らかにするためにMAPとリボソーム全体の複合体の構造をクライオ電子顕微鏡により明らかにしたいと挑戦を続けている。またMAPは抗ウイルスタンパク質である。タバコの葉に感染するタバコモザイクウイルスに効果が知られていたが、他のインフルエンザなどのウイルスにも効果があることがわかってきた。このウイルス阻害機構はまだ未知である。このウイルス阻害機構を明らかにするため、MAPと類似の小麦に存在するトリチンに注目して研究を進めている。抗ウイルス作用の応用研究が期待される。

（3）スクミリンゴガイの卵塊pervitellinに存在するタンパク質の構造解析

スクミリンゴガイの卵塊には栄養にとんで、かつ厳しい環境に対抗し、さらに捕食者にも抵抗するためのタンパク質群が含まれている。スクミリンゴガイのピンク色の卵塊は田んぼで水面から少し上に産みつけられる。このため紫外線および高い温度にさらされる。この厳しい環境に応答して、抗酸化物質のアスタキサンチンを高い濃度で持ち、アスタキサンチンが結合したPcPV1という、特徴あるカロテノイド糖タンパク質複合体を持つ。我々はクライオ電子顕微鏡でその構造とアスタキサンチン結合構造を明らかにした（現在論文投稿中）。また捕食者にも抵抗するためにPcPV2という膜孔毒素を持っている。この構造解析もクライオ電子顕微鏡を用いて進めている。