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変わる糖鎖の世界

2006年6月29日

図1:糖鎖の多彩な機能。 | 拡大する

肥満や糖尿病の原因になるとして敬遠されがちな糖だが、科学者からは熱い視線が注がれている。ヒトゲノム解読に代表されるゲノム科学の進展にともない、糖が数個から数百個連なった「糖鎖」とよばれる分子に、生体内の細胞社会を支えるさまざまな機能があることがわかってきたからだ。

糖に関する研究の歴史はかなり古い。まずはじめは、エネルギー源となるグルコースやグリコーゲンが研究された。その後、脂質からなる細胞膜上に「糖が鎖のように連なった構造----すなわち糖鎖」が存在することが知られるようになり、糖鎖科学の研究がはじまった。「細胞に含まれる物質をより分けたところ、糖鎖が抽出されてきた。これは、なにか機能をもつにちがいないと考えられ、化学的な解析から始まったのだろう」。日本の糖鎖研究の第一人者である、名古屋大学医学部生化学第二講座教授の古川鋼一博士は、そう話す。

2000年以降、「生化学の一領域」だった糖鎖科学は、重要な基礎生物学としても注目されるようになった。2002年のヒトゲノム解読完了後、プロテオーム解析によって、翻訳後のタンパク質が機能を獲得するまでのメカニズムが研究されるようになり、翻訳後に付加される糖鎖に重要なはたらきが秘められていることがわかってきたからだ。

糖鎖は、グルコースやガラクトースといった単純な糖のユニット(単糖)が、「グリコシド結合」とよばれる化学結合によってつながったものだ。単糖は、炭素、酸素、水素からなり、炭素の数(3~6)と、その分子構造によって1000種以上にも分類できるといわれている。ヒトでは、10種ほどの単糖が知られており、単糖2個からなる短い糖鎖から、何百も連なった長い糖鎖まで存在する。

最も有名な糖鎖の一つに、血液のABO型を決める糖鎖がある。ABO式血液型自体は、1901年にランドシュタイナーによって発見されたものだが、最近になって、これらの血液型のちがいが、赤血球の表面に結合する糖鎖構造のちがいに由来することが突き止められた。実は、赤血球にかかわらず、200種におよぶとされるヒトの細胞は、それぞれが「目印」となるような、さまざまな糖鎖を付けている。60兆もの細胞は、こうした糖鎖の目印をたよりに情報をやりとりすることで、秩序だった細胞社会を築き上げるのだ。

このとき、糖鎖が結合する相手の分子は脂質からなる細胞膜か、細胞膜上を貫通するタンパク質である。タンパク質に糖鎖が結合したものは「糖タンパク質(タンパク質が主で、糖が従のもの。タンパク質が従で糖が主の場合はプロテオグリカンとよばれる)」、脂質に糖鎖が結合したものは「糖脂質」とよばれている。糖鎖は、タンパク質や脂質がもつ機能を高める、寿命を変化させる、輸送能を向上させるといった変化をもたらし、細胞の接着、移動、発生、分化、増殖、アポトーシス(細胞死)、感染、免疫といったさまざまな生命現象が円滑に営まれるようにはたらく。それゆえ、糖鎖に異常がおきると、がん、糖尿病、肺気腫などのさまざまな病気が引き起こされるほか、糖鎖に関連する遺伝子異常によって、脳や神経、筋肉などに重篤な先天性疾患が起きることが知られている。

筋ジストロフィーと糖タンパク質

現在の糖鎖研究は、化学、工学、生物学、情報学など、多領域からアプローチされている。たとえば、細胞内の糖鎖機能を解明し、生命現象や疾患とのかかわりについて研究する領域は「糖鎖生物学」とよばれている。また、糖鎖配列の解読や人工合成のための技術開発は「糖鎖工学」、糖鎖合成に関連した遺伝子(糖鎖関連遺伝子)の同定やデータベース構築は「糖鎖情報学」とよばれている。ここでは、糖鎖生物学の研究実例を、いくつか紹介しよう。

東京都老人総合研究所老化ゲノム機能研究チーム研究部長の遠藤玉夫博士は、筋肉の機能がおとろえ、若くして亡くなることの多い筋ジストロフィーと糖鎖異常の関連について研究している。「老化すると目に見えて筋肉が衰えることから、筋肉や神経と糖鎖の関わりを探ろうとしたのがきっかけだが、研究をはじめたころは、筋肉に関連した糖鎖情報はほとんどなかった。1997年、基礎研究を進める過程で、偶然にも、筋肉細胞に、ほ乳類では非常にめずらしいO-マンノース型の糖鎖が多くみられることを発見した1」。研究の経緯について、遠藤博士はそう話す。

糖タンパク質を構成する糖鎖は、タンパク質内でどの種類のアミノ酸に結合するかによって、「O-結合型」と「N-結合型」に分けられる。O-結合型はセリンかスレオニンのどちらかのアミノ酸に結合しており、N-結合型はアスパラギンに結合している。O-マンノース型糖鎖はO-結合型の一種で、酵母ではよく研究されてきたものだったが、ほ乳類では全く知られていなかった。遠藤博士は、ヒトの筋肉に「ジストロフィンと結合して複合体を形成する糖タンパク質の一群(Dystrophinglycoprotein-complex:DGC)」があり、そこに単糖が4つ連なったO-マンノース型糖鎖が結合していることを突き止めた。

さらに2001年には、そのO-マンノース型糖鎖の糖転移酵素遺伝子(糖転移酵素は、単糖や糖鎖に作用して、単糖どうしをつないだり、糖鎖をタンパク質や脂質につなぐ酵素の総称)を同定し、それがあるタイプの筋ジストロフィーの原因遺伝子であることも明らかにした2。「DGCは、筋肉細胞の内と外を結ぶことで、筋細胞膜を安定化させる重要な機能をもつと思われるが、この遺伝子に変異(塩基置換)がおきると、酵素活性が失われて筋肉の構造と機能が維持されなくなってしまうようだ」と遠藤博士。このタイプの筋ジストロフィー患者には、知能発達やけいれんなどの脳神経障害もみられるという。遠藤博士は「O-マンノース型糖鎖が結合したDGCは神経細胞にも存在し、脳内で神経細胞のネットワークを構築する際にも重要な機能を発揮しているのだろう」と話し、ノックアウトマウスなどを用いた、より詳細な解析を急いでいる。

糖転移酵素の活性とがんの転移

図2:糖鎖研究の展望。 | 拡大する

一方、大阪大学微生物病研究所疾患糖鎖学教授の谷口直之博士は、糖転移酵素の異常とがん転移との関わりについて世界的な研究を行い、日本の糖鎖生物学を強力に牽引してきた。がんは、細胞増殖のルールを無視して勝手に増え続け、本来の居場所から離れた場所にもいすわってしまう無秩序な細胞の集まりだが、谷口教授はとくにがんの転移のしやすさと「N-アセチルグルコサミン転移酵素V(GnT-V)」とよばれる糖転移酵素の活性レベルに着目した。GnT-Vは細胞質のゴルジ体内に存在し、N-結合型糖鎖の枝分かれ構造を作る特殊な酵素で、正常細胞にはほとんど存在しないという。

「1985年ごろから、転移しやすいがんで、GnT-Vの活性がきわめて高いことが報告されていた」と話す谷口博士は、1993年にヒトの肺がん細胞からGnT-V遺伝子を単離することに成功し、最近になって、転移にかかわる次のような分子メカニズムも明らかにした。がん細胞では、まずはじめに、がん遺伝子によりGnT-V遺伝子が異常に活性化される。合成されたGnT-Vはがん細胞が転移するのに必須の酵素に糖鎖を付加し、その酵素活性を高めてしまう。一方で、GnT-Vには血管を新生させる作用もあるため、がんの転移と増殖はさらに加速される結果となる。谷口博士は「GnT-V遺伝子の発現レベルを調べることで、がんの状態や予後を判定することが可能だろう」とし、「すでにGnT-Vが血管新生作用を発揮するために重要なペプチド配列も突き止めており、なんとか新たながん治療薬に結びつけたい」と話す。

さらに谷口博士は、2005年に、Fut8という糖転移酵素遺伝子の異常が、肺気腫の原因になることを突き止めた3。肺気腫は、肺の細胞(肺胞)が破壊されることにより、息切れや呼吸困難などを引き起こす疾患で、喫煙がリスクファクターの一つとされる。「遺伝子改変により、Fut8遺伝子をノックアウトしたマウスを作ったところ、肺組織のコラーゲンなどを分解する酵素が通常の10倍以上多く作られており、そのために肺気腫が引き起こされた」と谷口博士。

健康な人では、肺組織の分解を防ぐ別の酵素がはたらき、両者のバランスが保たれているが、ノックアウトマウスでは、糖鎖の異常により、肺組織の分解を防ぐ酵素を活性化させるシグナルがうまく伝わらなくなっていたという。今後は、ヒトの肺気腫患者の糖鎖を解析することにより、新たな治療法に結びつくことが期待される。

糖脂質と神経細胞の機能

古川博士も肺がんやメラノーマなどのがんと糖鎖の関連に着目し、異常な糖鎖のシグナルを細胞内に伝達する分子や、そのような分子を阻害する物質の探索を行っている。また、遺伝子導入によって、正常細胞にがん特異的な糖鎖を作らせる「糖鎖リモデリング」の研究も進めている。「がん細胞でみられる糖鎖異常が、がんの原因なのか、それともがんによってもたらされた結果なのかは、重要なポイントだ。これまでの成果からは、原因に近いことが示唆されている」と古川博士。一方で古川博士は、脳神経系の発生や分化に関わるとされる糖脂質の機能にも着目している。ノックアウトマウスによるこれまでの解析では、糖脂質の合成が不完全でも、ある程度の脳組織が形成されるが、成長するにしたがって神経変性疾患のような症状があらわれることを突き止めているという。

「脂質に長く連なる糖鎖は、そのすべてがない場合には生存に関わるが、基本的な糖鎖構造がある程度保たれていれば、多少異常があっても生きていけるようだ。ただし、さまざまな神経症状がともなう4」と古川博士は言う。2004年には、酸性糖脂質の合成に関わる酵素遺伝子の異常が重篤な神経疾患を引き起こす例が、世界ではじめて報告された。アメリカ、ペンシルバニアのアーミッシュの家系でみられるもので、ある遺伝子(GM3合成酵素遺伝子)の変異により、精神遅滞や発育不全、けいれんなどが引き起こされるという。「再生能力をもたない神経細胞は、糖鎖によって保護され、安定性が維持されているのだろう」。古川博士はそう考えている。

一筋縄ではいかない糖鎖解析

新たな学問領域の発展には、その基盤となる技術や手法のブレイクスルーが欠かせない。たとえば、ゲノム解読はシークエンサーの開発によって、プロテオーム解析は質量分析装置やNMRなどの技術改良によって、急激な発展を遂げてきた。同じように、糖鎖研究においても、基盤技術のブレイクスルーが必要とされている。ところが糖鎖の場合は、一筋縄ではいかないのが現状だ。

DNAはA、G、C、Tの4種の塩基が直鎖状に連なったもので、タンパク質も20種のアミノ酸がやはり直鎖状に連なっている。たとえば4種の塩基からなる配列を作る場合、DNAでは4の4乗個、つまり256通りの組み合わせが考えられる。同様に4種のアミノ酸からなる配列は、20の4乗個、つまり1万6000通りとなる。一方、糖鎖の場合は、ヒトでみられる単糖の種類は10種ほどだが、各単糖が別の単糖に連結できる部位を数か所ずつもち、鎖が直鎖状だけでなく、枝状にも連結していく。その結果、4つの単糖を並べる組み合わせが1500万通りにも達するという。この糖鎖配列の複雑性こそが、解析手法の開発をはばむ最大の壁になっている。

こうした難題を克服すべく、経済産業省産業技術総合研究所(以下、産総研)は、2002年に糖鎖工学研究センターを立ち上げた。現在、「糖鎖生合成チーム」「糖鎖遺伝子機能解析チーム」「細胞制御解析チーム」「糖鎖構造解析チーム」の4部門が、糖転移酵素遺伝子の同定、ハイスループットな糖鎖配列の解読技術、糖鎖関連遺伝子を利用した糖鎖合成技術の開発などを行い、他の追随を許さない成果をあげている。

領域を横断する研究体制の必要性

ヒトに10万種あるといわれるタンパク質の半分以上に、長さと構造の異なるさまざまな糖鎖が付加されていると考えられている。これらを、どのようにして解析していくべきか。研究者たちは、日々、頭を悩ませている。

谷口博士は、解析の足がかりとして「糖鎖機能1000」と称した国家プロジェクトの推進を提案している。約300個あるとされる糖鎖関連遺伝子から作られる糖鎖が、1個あたり3~4個の機能を持ち合わせていると予測し、およそ1000の糖鎖機能が基本になると考えるからだ。また、「バイオインフォマティクス、ケミカルバイオロジー、ナノテクノロジーといった他領域と糖鎖研究との融合を視野に入れ、新たにシステム糖鎖生物学を提唱したい」とも話す。同じような観点から、古川博士は「糖鎖を物質ととらえる糖鎖化学と、生体内の活性物質ととらえる糖鎖生物学には溝がある。両者がうまく融合しないと糖鎖研究のダイナミックな展開は望めない」と指摘する。

アメリカでは、糖鎖研究が内包するさまざまな課題を、大がかりなコンソーシアムを構築することで解決しはじめている。2001年10月、NIHが5年計画で「Consortium for Functional Glycomics(CFG)」を立ち上げ、全米各地の8研究組織に、年間約10億円が拠出された。2006年からの2期目も、ほぼ同額の予算でスタートしている。CFGでディレクターを務めるスクリプス研究所教授のジェームス・ポールソン博士は、「研究の成果をいかにして人類に還元するかを最優先に考えている。そのために、生体における多彩な糖鎖機能を解析するとともに、糖鎖アレイなどの新たなツールの開発や提供、創薬につながる研究などを進めている」とコメントする。

さらに、アメリカは、研究を効率的に進める環境作りにも力を入れている。ポールソン博士の下で、糖タンパク質の免疫制御に関する研究を行う舘野浩章氏は、「CFGがうまく機能しているアメリカでは、糖鎖アレイの解析や質量分析を専門のスタッフが専門の設備で迅速に行う、他領域の研究者との意見交換や共同研究を気軽に行うといったことが実現できている」と指摘する。

今、日本の糖鎖研究者たちも、国家主導の研究基盤を強く求めはじめている。前述の産総研糖鎖工学研究センターは、日本の糖鎖研究の中核的な拠点になることをめざし、非常にうまく機能しているが、産業化につながる糖鎖工学に重点が置かれており、糖鎖生物学については任務としていない。こうした状況の下、理化学研究所(以下、理研)フロンティア研究システム顧問の永井克孝博士らは、研究者レベルの糖鎖科学コンソーシアムを立ち上げ、省庁間の壁を取り払った研究プラットホームを作るための運動を始めた。

理研フロンティア研究システム内に組織されている生体超分子システム研究グループでは、細胞生物学や生物物理学のアプローチを用いた糖鎖研究が進められている。永井博士とともにコンソーシアムの立ち上げに関わった谷口博士は、「今は年に一度、シンポジウムを開くことしかできていないが、今後は、文部科学省などを中心にしたオールジャパンの組織につなげ、糖鎖生物学の基礎研究の推進や人材育成を行えるようにしていきたい」と話す。

基礎を固め応用を目指した研究を

国としての体制が求められる一方で、国際協力も欠かせない課題になっている。谷口博士は、ドイツなどの22か国の糖鎖研究者とともに「ヒト疾患グライコミクス/プロテオーム・イニシアチブ(HGPI)」を立ち上げている。2006年9月には、ポールソン博士率いるアメリカのCFGとの合同会議も予定されており、疾患に着目した糖鎖生物学と生物情報学の融合がはかられるという。

産総研糖鎖工学研究センターにおいて、多くの糖鎖関連酵素遺伝子を同定してきた成松 久博士は「広い視野で研究が進めば、各個人が自分の糖鎖情報を携帯して、健康状態や疾患の進行、老化の程度などをモニタリングできるようになるかもしれない」とコメントする。

健やかな人生を実現する鍵として期待され、発生や分化といった基本的な生命現象を解明する糸口にもつながる糖鎖研究。うわべだけの応用に走らず、基礎から固める骨太の研究が期待される。

西村尚子 サイエンスライター

参考文献

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  2. Yoshida, A., Kobayashi, K., Manya, H., Taniguchi K., Kano, H., Mizuno, M., Inazu, T., Mitsuhashi, H., Takahashi, S., Takeuchi, M., Hermann, R., Straub, V., Talim, B., Voit, T., Topaloglu, H., Toda, T., and Endo, T. (2001) Muscular dystrophy and neuronal migration disorder caused mutations in a glycosyltransferase, POMGnT1. Dev. Cell, 1, 717-724.
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