新しいタンパク質凝集抑制因子としてのアラントインとヒダントイン

アラントインは、医薬品および化粧品で広く使用されており、ヒダントインリングとウレイドグループで構成されています。最近の報告によると、アラントインはヘン卵白リゾチーム（LYZ）の熱凝集を抑制していることが示されました。しかし、タンパク質凝集に関するアラントインの特性に対する構造的洞察と、アラントインが異なるストレス条件下で他のタンパク質の凝集を制御するかどうかは不明のままです。ここでは、アラントインと尿素とヒダントインを比較することにより、タンパク質凝集に対するその効果の観点から、アラントインの構造特性を研究しました。さらに、アラントインとその誘導体が、リルジンと比較したさまざまなストレスにより、鶏卵ホワイト（OVA）のアルブミン（BCA）、鶏の卵ホワイト（OVA）のアルブミン、および免疫グロブリンG（IGG）の凝集に及ぼすアラントインとその誘導体の効果を分析しました。これらの4つのタンパク質は、帯電状態と分子サイズが大きく異なります。アラントインは、タンパク質の融解温度に影響を与えることなくアルギニンと比較してLyzの凝集と不活性化を抑制し、可溶性オリゴマーの形成とIgGの不溶性凝集体の形成がわずかに改善され、酸性ストレスを伴う原因でした。対照的に、ヒダントインは、アルギニンやアラントインよりも芳香族アミノ酸の溶解度をより効果的に増加させました。凝集抑制因子としてのアラントインの観察された効果の根底にある構造特性には、タンパク質の表面上のヒダントイン部分と芳香環の間の疎水性相互作用が含まれます。これは、アラントインとアルギニンの違いに反映されます。これらの結果は、ヒダントインリングのバックボーンが、小さな凝集サプレッサーの開発のための新しいカテゴリの添加物である可能性を示しています。

Allantoin is widely used in pharmaceutical and cosmetic products, and is composed of a hydantoin ring and a ureido group. Recent reports showed that allantoin suppresses thermal aggregation of hen egg white lysozyme (LYZ). However, structural insight into the properties of allantoin on protein aggregation and whether allantoin controls the aggregation of other proteins under different stress conditions remain unclear. Here we studied the structural properties of allantoin in terms of its effects on protein aggregation by comparing allantoin with urea and hydantoin. Furthermore, we analyzed the effects of allantoin and its derivatives on the aggregation of LYZ, carbonic anhydrase from bovine erythrocytes (BCA), albumin from chicken egg white (OVA), and immunoglobulin G (IgG) by various stresses in comparison with arginine. These four proteins are widely different in charged state and molecular size. Allantoin suppressed the aggregation and inactivation of LYZ comparing to arginine without affecting the melting temperature of proteins, and was responsible for the slightly improved formation of soluble oligomers and insoluble aggregates of IgG with thermal and acidic stresses. In contrast, hydantoin increased the solubility of aromatic amino acids more effectively than arginine and allantoin. The structural properties underlying the observed effects of allantoin as an aggregation suppressor include hydrophobic interactions between hydantoin moiety and aromatic ring on the surface of proteins, which is reflected on the difference between allantoin and arginine. These results show that the backbone of hydantoin ring may be a new category of additives for development of small aggregation suppressors.