レシリン

レジリンは、多くの昆虫やその他の節足動物に見られる弾性 タンパク質です。レジリンは、機械的に活動する臓器や組織に柔らかいゴムのような弾力性を与えます。たとえば、レジ​​リンのおかげで、多くの種の昆虫は、効率的にジャンプしたり、羽を回転させたりすることができます。レジリンは、トルケル・ヴァイス・フォグによって、イナゴの羽根のヒンジで初めて発見されました。

レジリンは現在知られている中で最も効率的な弾性タンパク質です (Elvin ら、2005)。イナゴの 腱から分離されたレジリンの弾性効率は 97% と報告されています (蓄えられたエネルギーの 3% のみが熱として失われます)。レジリンには規則的な構造はありませんが、ランダムに巻かれた鎖が適切な間隔でジチロシンおよびトリチロシン結合により架橋されており、一部の昆虫が跳躍して体長の 38 倍もの距離を移動するために必要な弾性を付与しています (ノミに見られるように)。レジリンは成虫の生涯にわたって持続する必要があり、したがって何億回もの伸縮に耐えなければなりません。その弾性効率により、昆虫の生涯にわたってその性能が保証されます。レジリンは、水などの 極性溶媒で膨張した場合にのみ、異常なエラストマー挙動を示します。

2005 年、ショウジョウバエの遺伝子の一部を大腸菌で発現させることで、ショウジョウバエのレシリン タンパク質の組み換え型が合成されました。組み換えレシリンのバイオメディカル エンジニアリングおよび医学への応用可能性を調査する研究が活発に行われています。

トンボの弾性腱やイナゴの羽の蝶番で発見されて以来、レジリンは節足動物の多くの構造や器官で見つかっている。^[1]昆虫のクチクラでは、レジリンはキチンとの複合体として見つかることが多く、キチンが構造成分として機能している。レジリンは弾力性やその他の特性を付与すると考えられている。サシガメ（Rhodnius prolixus）、ツェツェバエ、ミツバチの唾液ポンプや、ミツバチの針の毒液散布ポンプの抵抗提供機構で発見されている。レジリンはセミやメイガ科などの節足動物の発音器官でも発見されており、音を出す鼓膜の急速な応力解放サイクルにより、レジリンの高い弾性と高い回復力の両方が重要な役割を果たしている。これらの構造に加えて、レジリンは節足動物の移動システムに最も広く存在します。翼のヒンジでは翼要素の変形からの回復を可能にし、翼が感じる空気力学的な力を弱めるためにレジリンが発見されました。ゴキブリやハエの移動システムでは関節の急速な変形を促進するためにレジリンが発見されました。跳躍機構では、レジリンは運動エネルギーを非常に効率的に蓄え、負荷を解除するとそれを放出します。また、シロアリ、アリ、ハチの腹部を囲むクチクラにも豊富に存在し、摂食と生殖の過程で大きく膨張します。^[1]

レジリンのアミノ酸組成は、1961年にベイリーとトルケル・ワイス・フォグがイナゴの前翼と翼のヒンジ靭帯のサンプルを観察したときに分析されました。その結果、レジリンのアミノ酸組成にはメチオニン、ヒドロキシプロリン、システイン成分が欠けていることが示されました。 ^[2]

レシリンは、アミノ酸組成がレシリンと遺伝子産物に類似していることから、キイロショウジョウバエ遺伝子 CG15920の産物であると特定されました。 ^[3]キイロショウジョウバエ遺伝子は 4 つのエクソンで構成されており、CG15920 の 4 つの機能セグメント、すなわちシグナルペプチドとエクソン 1、2、3 によってコードされる 3 つのペプチドをコードしています^。[4]シグナルペプチドはプロレシリンを細胞外空間に導き、そこでレシリンタンパク質が凝集して架橋し、ネットワークを形成し、その後、ペプチドから切り離されて、新生レシリンが成熟レシリンになります。N 末端から、エクソン 1 によってコードされるセグメントには、15 残基の繰り返し配列 (GGRPSDSYGAPGGGN) の 18 のコピーが含まれています。エクソン 2 に対応するセグメントには、キチン結合 Rebers-Riddiford (RR) コンセンサス配列 ( Pfam PF00379) の 62 個のアミノ酸が含まれています。エクソン 3 でコード化されたペプチドは、13 残基の繰り返し配列 (GYSGGRPGGQDLG) の 11 個のコピーによって占められています。エクソン 1 と 3 に豊富に含まれるグリシンとプロリンがタンパク質に環状構造を導入する一方で、チロシン残基はタンパク質間でジチロシンおよびトリチロシン架橋を形成できます。

レシリンは無秩序なタンパク質ですが、そのセグメントはさまざまな条件下で二次構造をとる可能性があります。エクソン 1 によってコード化されたペプチド配列は非構造化形態を示し、結晶化できないことが発見されました。これにより、ペプチド配列セグメントは非常に柔らかく、柔軟性が高くなっています。エクソン 3 でコード化されたペプチドは、ロード前は非構造化形態をとりますが、ストレスがかかると整然としたベータターン構造に変化します。一方、エクソン 2 でコード化されたセグメントはキチン結合ドメインとして機能します。^[4]ストレスがかかったり、エネルギー入力があったりすると、エクソン 1 でコード化されたペプチドは柔軟性が高いためすぐに反応すると提案されています。これが起こると、エネルギーはエクソン 3 でコード化されたペプチドに渡され、非構造化形態からベータターン構造に変化してエネルギーを蓄えます。ストレスまたはエネルギーが除去されると、エクソン 3 でコード化されたセグメントは構造変換を逆転させ、エクソン 1 でコード化されたセグメントにエネルギーを出力します。^[4]

エクソン1とエクソン3に対応するペプチドがとる可能性があるもう一つの二次構造はポリプロリンヘリックス（PPII）であり、これら2つのセグメントにおけるプロリンとグリシンの出現頻度が高いことで示される。PPII構造は、アブダクチン、エラスチン、タイチンなどのエラストマータンパク質に広く存在する。^[5]これは、タンパク質の自己組織化プロセスと弾性に寄与すると考えられている。^[4]レシリンの弾性メカニズムはエントロピーに関連していると提案されている。リラックスした状態では、ペプチドは折り畳まれており、大きなエントロピーを持ちますが、一度引き伸ばされると、ペプチドが展開するにつれてエントロピーは減少します。PPIIとベータターンの共存は、レシリンが無秩序な形に戻るときにエントロピーが増加する重要な役割を果たします。^[6] PPIIのもう一つの機能は自己組織化プロセスを促進することです。準拡張PPIIは分子間反応を介して相互作用し、繊維状の超分子構造の形成を開始できることがわかっています。^[6]

二次構造はエネルギー状態とアミノ酸間の水素結合によって決まりますが、階層構造はペプチドの疎水性によって決まります。エクソン 1 でエンコードされたペプチドは主に親水性で、水に浸すとさらに伸びます。 ^[7]対照的に、エクソン 3 でエンコードされたペプチドには疎水性ブロックと親水性ブロックの両方が含まれており、疎水性ブロックが内側に集まり、親水性部分がそれを取り囲むミセルの形成を示唆しています。^[7]したがって、単一の完全なレシリンタンパク質は、水に浸すと、エクソン 1 でエンコードされたセグメントがエクソン 3 でエンコードされたペプチドのミセルから伸びた構造をとります。^[7]

レジリンが細胞外に輸送されると、エクソン2にコードされているペプチド、キチン結合セグメントがキチンに結合します。^[1]一方、ペルオキシダーゼを介した酸化カップリングにより、チロシン残基間でジチロシンまたはトリチロシン架橋が形成されます。^[1]他のエラストマータンパク質と同様に、レジリンの架橋度は低く、これにより剛性が低く、弾力性が高くなっています。エクソン1にコードされている架橋ペプチドの弾力性は93%を超え、エクソン3にコードされている架橋ペプチドの弾力性は86%です。さらに、天然レジリンの弾力性はエクソン1と同程度の92%であり、これもまた、エクソン1がレジリンの弾性特性においてより重要な役割を果たしている可能性を示唆しています。^[4]

アンダーセンは1996年に、チロシン残基がジチロシン、トリチロシン、テトラチロシンなど多くの形で化学的に共有結合した架橋に関与していることを発見した。^[8]主に、レジリンではチロシンとジチロシンが化学架橋として機能し、チロシンとジチロシンのR基が成長するペプチド鎖のバックボーンに加わる。^[1]アンダーセンは、これら2つの化合物に関する研究に基づいてこの結論に達した。この研究で、彼はジスルフィド結合、エステル基、アミド結合など他の形態の架橋を除外することができた。^[1]チロシンの架橋のメカニズムはラジカル開始によって起こると理解されているが、レジリンの架橋は依然として謎のままである。レジリンの架橋は非常に速く起こり、これはおそらく温度の結果である。温度が上昇すると、残基の架橋速度が増加し、高度に架橋されたレジリンネットワークが形成される。^[1]

レシリンのアミノ酸組成は、プロリンとグリシンがレシリンのアミノ酸組成において比較的多く含まれていることを示しています。レシリンの組成におけるグリシンとプロリンの存在は、レシリンの弾力性に大きく貢献しています。^[9]しかし、レシリンにはαヘリックスが存在せず、ランダムに巻かれた構造と無秩序な構造につながります。^[10]これは主に、レシリン中のプロリン含有量が非常に高いためです。プロリンはかさばるアミノ酸で、ペプチド鎖にねじれを引き起こす能力があり、立体的に妨げられた側鎖のためにαヘリックスに適合することができません。しかし、レシリンのセグメントは、さまざまな条件下で二次構造をとることができます。

他の生体材料と同様に、レジリンはハイドロゲルであり、水で膨張しています。中性pHでのレジリンの水分含有量は50〜60％であり、この水がないと材料の特性に大きな違いが生じます。水和レジリンはゴムのように動作しますが、脱水レジリンはガラス状ポリマーの特性を持ちます。^[1]しかし、脱水レジリンは水があればゴム状態に戻ることができます。水は、水素結合の量を増やすことでレジリンネットワーク内で可塑剤として機能します。 ^[4]プロリンとグリシン、ポリプロリンヘリックス、親水性部分の高濃度はすべて、レジリンタンパク質ネットワーク内の水分含有量を増加させるのに役立ちます。水素結合の増加は鎖の可動性の増加につながり、ガラス転移温度を低下させます。レジリンネットワーク内の水分含有量が多いほど、材料の剛性が低くなり、弾力性が高まります。脱水レジリンは、剛性、ひずみ、弾力性は低いが、圧縮弾性率とガラス転移温度は比較的高いガラスポリマーとして挙動する。^[1]

レジリンやエラスチンなどのゴムのようなタンパク質は、高い弾力性、低い剛性、および大きな歪みに基づいて特徴付けられます。^[11]高い弾力性は、十分な量のエネルギー入力を材料に蓄え、その後放出できることを示しています。エネルギー入力の例としては、材料を伸ばすことが挙げられます。天然レジリン（水和）の弾力性は92％で、これは、除荷時に放出するために入力エネルギーの92％を蓄えることができることを意味し、非常に効率的なエネルギー伝達を示しています。レジリンの剛性と歪みをよりよく理解するためには、フックの法則を考慮する必要があります。線形スプリングの場合、フックの法則によれば、スプリングを変形するために必要な力は、スプリングの特性である定数によって変形量に正比例します。限られた量の力で大きく変形できる場合、材料は弾性があると見なされます。水和レジリンの引張弾性率は640～2000kPa、一軸圧縮弾性率は600～700kPa、破断ひずみは300%である。^[4]

レジリンの疲労寿命については、実際のデータは得られていないが、直感的に考えることができる。ミツバチの場合、ミツバチは1日8時間、毎時72万回羽ばたきながら約8週間生息し、羽ばたく回数は3億回以上になると考えられる[9]。レジリンは昆虫の一生を通じて機能するため、疲労寿命はかなり長いはずである。しかし、生きた昆虫では、レジリン分子は常に生成・置換されるため、結論には誤差が生じる。

レジリンの驚くべきゴム弾性のため、科学者たちはさまざまな材料や医療用途のために組み換え型を研究し始めました。DNA技術の台頭により、この研究分野では、特定の機械的特性を持つように調整できる生合成タンパク質ポリマーの合成が急速に増加しています。したがって、この研究分野はかなり有望であり、人口に影響を与える病気や障害を治療するための新しい方法を提供することができます。組み換えレジリンは、2005年にショウジョウバエのCG15920遺伝子の最初のエクソンから大腸菌で発現されたときに初めて研究されました。 ^[12]研究中、純粋なレジリンは20％タンパク質質量のハイドロゲルに合成され、紫外線の存在下でルテニウム触媒チロシンと架橋されました。^[12] この反応により、組み換えレジリン（rec1-Resilin）という生成物が得られました。^[12]

rec1-レシリン合成の成功の最も重要な側面の1つは、その機械的特性が元のレシリン（天然レシリン）と一致することです。上記の研究では、走査プローブ顕微鏡（SPM）と原子間力顕微鏡（AFM）を使用して、rec1-レシリンと天然レシリンの機械的特性を調べました。^[1]これらのテストの結果、組み換えレシリンと天然レシリンの弾力性は比較的類似しているが、その用途が異なる可能性があることが明らかになりました。^[1]この研究では、細胞と組織の反応を生成するために、rec1-レシリンをポリマー足場に配置して細胞外マトリックスを模倣することができました。この研究分野はまだ進行中ですが、科学界で幅広い関心を集めており、現在、組織の再生と修復の分野でさまざまな生物医学的用途について調査されています。

rec1-レシリンのユニークな特性の1つは、自己蛍光によって識別できることです。レシリンの蛍光は主にジチロシンに由来し、チロシン残基の架橋の結果です。rec1-レシリンのサンプルに315 nmから409 nmの紫外線を照射すると、rec1-レシリンは青色蛍光を示し始めます。^[12]レシリンのジチロシン残基が示す青色蛍光の例を、下のノミの図に示します。

レジリンのもう一つのユニークな特性は、その高い弾力性です。組み換えレジリンは、純粋なレジリンと同様の優れた機械的特性を示しました。Elvinらは、走査型プローブ顕微鏡を使用して、rec1-レジリンの弾力性を他のゴムと比較することを目的としました。この研究では、rec1-レジリンの弾力性を、高い弾力性を持つ2種類のゴム、クロロブチルゴムとポリブタジエンゴムと比較しました。 ^[12]この研究では、rec1-レジリンの弾力性は92%であるのに対し、クロロブチルゴムは56%、ポリブタジエンゴムは80%であると結論付けられました。^[12]このように機械的弾力性が高いため、rec1-レジリンの特性は、材料工学や医学の分野における他の臨床用途にも応用できます。組み換えレジリンに関する研究の進行中の結果は、レジリンの他の未調査の機械的特性と化学構造を調査するさらなる研究につながる可能性があります。

組み換えレジリンは、生物医学工学および医学の分野での潜在的な応用について研究されてきた。特に、組み換えレジリンからなるハイドロゲルは、心血管、軟骨、声帯組織などの機械的に活性な組織の組織工学の足場として利用されてきた。初期の研究は、これらの材料の機械的特性、化学的性質、細胞適合性を最適化することに焦点を当てていたが、レジリンハイドロゲルの生体内試験もいくつか実施されている。^[13]デラウェア大学とパデュー大学の研究者は、幹細胞と適合し、天然レジリンと同様のゴム弾性を示す、レジリンからなる弾性ハイドロゲルを作成する方法を開発しました。 ^{[14] [15] [16] [17]}ポリエチレングリコールを組み込んだ半合成レジリンベースのハイドロゲルも報告されています。^[18]

• エラスチン：脊椎動物のタンパク質

• 「Resilin プロジェクトはほぼ完璧な 98% を達成しました」(PDF)。CSIRO。
• 南オーストラリア大学からの要約
• トルケル・ヴァイス・フォグ：科学論文と通信

ウィキメディア・コモンズには、 Resilinsに関連するメディアがあります。