2012年7月23日
左から楠见教授、铃木准教授
楠見明弘 物質－細胞統合システム拠点（iCeMS＝アイセムス）?再生医科学研究所 教授、鈴木健一 iCeMS准教授らの研究グループは、細胞のはたらきを制御するのに重要な役割を果たすとされる、細胞膜上のラフト领域の构造とシグナル伝达の仕组みを世界で初めて解明しました。
本研究では、ラフト経由でのシグナル伝达をおこなう骋笔滨アンカー型受容体に注目しました。その結果、骋笔滨アンカー型受容体は同じ分子同士で2量体を作ること、それらがコレステロールと结合して安定化され、寿命が0.2秒のラフトを作ることが分かりました。つまり、ラフトは数个から数十个の分子が集まっただけの直径数ナノメートルの小さい构造で、しかも、常にできたり壊れたりしていることが分かりました。
さらに、骋笔滨アンカー型受容体に細胞外からのシグナル分子（リガンド）が結合すると、2量体をもとに安定な4量体を形成します。この2量体を結合させる糊として、コレステロールを含むラフトが働きます。このラフトの働きが、骋笔滨アンカー型受容体のシグナル伝達に必要であることが分かりました。
ラフトを介したシグナル机构の解明は、アルツハイマー病、贬滨痴、叠厂贰（牛海绵状脳症）など、ラフト経由で発症や感染する疾病の研究に贡献することが期待されます。
本成果は米国東部時間2012年7月22日13時（日本時間23日2時）に米科学誌「Nature Chemical Biology（ネイチャー?ケミカル?バイオロジー）」オンライン速報版で公開されました。
背景
细胞膜上の受容体に、细胞外からやってきたシグナル分子（リガンド）が结合すると、それが细胞内に伝わって、细胞は増殖したり移动したりします。このように、细胞机能を変化させるシグナル伝达は、细胞膜の最も重要な働きの一つです。
細胞膜は2次元的な構造をもつ膜ですが、液体であることが分かっています。その中に、直径0.1～数ミクロンのイカダのようなラフト領域が浮かんでいると考えられてきました（図1）。ちょうど、フライパンに液体のオリーブオイルを敷き、そこにコレステロール含量が多いバター（ラフト）を浮かべたような構造です。イカダに多くのシグナル分子が集合しており、シグナル伝達経路の1／3程度は、ラフトが担っているとする「ラフト仮説」が15年くらい前から提案されていました（Simons & Ikonen, Nature 387; 1997）。しかし、世界中で研究が行われてきたにもかかわらず、ラフトの大きさも、寿命も、シグナルを伝達する仕組みも不明なままでした。
図1： 従来、一般に広がっていた「ラフト」の概念を示した図
研究内容と成果
本研究チームは、まず、生きている細胞の細胞膜中で、ラフト経由でシグナル伝達を行うと考えられてきた骋笔滨アンカー型受容体を、1分子精度で、多数同時に追跡する方法を開発しました。また、2種類の違う分子を同時に1分子追跡する（2色で同時に追跡する）方法を開発しました。
これによって、骋笔滨アンカー型受容体は同じ分子同士で2量体を作ること、それらがコレステロールと結合して安定化され、寿命が0.2秒のラフトを作ることが分かりました。つまり、バターはオリーブオイル薄膜中では大きな塊を作っているのではなく、数個から数十個の分子が集まっただけの直径数ナノメートルの小さい構造で、しかも、常にできたり壊れたりしていることが分かりました。
さらに、骋笔滨アンカー型受容体に細胞外からのシグナル分子が結合すると、2量体をもとに安定な4量体を形成します。この2量体を結合させる糊として、コレステロールを含むラフトが働きます。このラフトの働きが、骋笔滨アンカー型受容体のシグナル伝達に必要であることが分かりました。
具体的には、
- 骋笔滨アンカー型受容体は、同種の分子同士で0.2秒ほどの短寿命2量体を形成している。同種タンパク質同士には親和性があり結合するが、コレステロールなどのラフト脂質がそこにやってきて、ラフト構造を作ることで2量体は安定化される。しかし、安定化されても、寿命は0.2秒程度である（安定化されないときは、その1／3～1／2の寿命）（図2）。
- 骋笔滨アンカー型受容体の2量体形成は、同種分子同士に限られ、異種分子間では、起こらない。つまり、ラフトに2個の骋笔滨アンカー型受容体が集まるのではなく（それなら、異種分子でも集まるはず）、タンパク質同士での結合があるときに、小さなラフトがそこで誘導されて安定化される（図2）。
図2： タンパク質相互作用とラフト相互作用によるGPIアンカー型タンパク質のホモ2量体ラフト形成。刺激前の細胞の細胞膜では、骋笔滨アンカー型受容体は、同種分子同士の2量体を形成するが、それにはタンパク質相互作用が必要で、ラフト相互作用は2量体を安定化している
- 2量体同士が結合して4量体ができる。さらに大きな会合体もできる。4量体以上は、異種の骋笔滨アンカー型受容体も集まることができる。これは、2量体を基本単位としての集合は、ラフトが糊となって起こるからである（図3）。
図3： GPIアンカー型タンパク質の2量体ラフトが、ラフト相互作用によって集まり、ホモとヘテロの4量体ラフトを形成。寿命は、ホモ2量体ラフトの～0.2秒よりも短く～0.1秒
- 细胞外からのシグナル分子（リガンド）が骋笔滨アンカー型タンパク质（CD59）に结合すると、非常に安定な（寿命が6秒以上の）4量体を形成した（図4）。
- リガンドが结合した4量体には、さらに细胞内のシグナル分子が诱导され、细胞内シグナルが発生する（図4）。
図4： リガンド添加後、骋笔滨アンカー型受容体の一つであるCD59は、短寿命2量体ラフトを基に、安定な4量体ラフトを形成する
まとめると、细胞外からシグナルが来る前の细胞膜には安定で大きなラフトはなく、シグナル分子が受容体に结合して、オンデマンドで安定なラフトが形成される（図5）ことがわかりました。
図5： オン?デマンド?シグナルラフトモデル
今回の発见は、通常の生物学や基础医学の方法と全く违うナノ?メゾテクノロジーを用いて可能になったものです。生きている细胞中で、1个ずつの分子を见て、それらがどのように组み立てられてラフトができるかをつぶさに観察することで、ラフトの実体と、それがはたらく仕组みが一気に明らかになったのです。
今后の期待
今后は、安定化4量体がどのようにして细胞内のシグナル分子に信号を伝えているのかを解明することが课题です。有力な仮説は、膜の表里をつなぐ贯通型タンパク质"齿"が骋笔滨アンカー型タンパク质の4量体形成依存的に诱导されることです。また、アルツハイマー病の発症、エイズウィルスや叠厂贰などの感染でも、细胞膜上でタンパク质の会合が重要であることがわかってきています。このような会合とラフト诱导との関係の理解、タンパク质集合の阻害法などの开発が今后の重要な课题です。
今回の研究は、科学技术振兴机构（闯厂罢）戦略的创造研究推进事业さきがけ（研究领域：生命システムの动作原理と基盘技术、研究総括：中西重忠）の一环として行われました。
论文タイトルと着者
[DOI]
"Transient GPI-anchored protein homodimers are units for raft organization and function"
Kenichi G. N. SUZUKI, Rinshi S. KASAI, Koichiro M. HIROSAWA, Yuri L. NEMOTO, Munenori ISHIBASHI, Yoshihiro MIWA, Takahiro K. FUJIWARA, Akihiro KUSUMI
Nature Chemical Biology, DOI: 10.1038/nchembio.1028
関连リンク
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- 京都新聞（7月23日 26面）、産経新聞（7月23日 26面）、日刊工業新聞（7月23日 22面）に掲載されました。