●何故、生体膜研究が重要か？

ヒトのゲノムは30億塩基対から成る。2003年、ヒトのゲノムの全塩基配列が決定された。 これは、ちょうど生命を解く暗号を手に入れたことになる。 現在、この塩基配列上のどの部分がタンパク質やRNAをコードしている領域か、 どの部分が遺伝子の発現を制御している領域かといった注釈をつける作業 （annotattion）が進められている。

しかしながら、たとえ全遺伝子に注釈がつけられても解決できない問題がある。 それは、我々の身体は遺伝子産物のみでできているわけではないからである。

生命活動の最も重要なエネルギー源は糖と脂質であるが、 糖と脂質は エネルギー源以外にも生命体を構成する基材として必須である。 糖や脂質は遺伝子で定義されているのではなく、 遺伝子産物である酵素タンパク質の働きで鋳型なしに合成される。

例えると、生物は家を建てるのに家の設計図を用意するのではなく、 大工さん（＝酵素タンパク質）の設計図を持っているのである。 どのような家を作るかは大工さんに任せているわけである。 このような現象は自己組織化とよばれる。 かなり大胆なことを平気でやっているが、出来てくる家（＝生命体） は殆んど同じといってよいものができてくるので不思議である。 生命の設計図（＝ゲノム）には、大工さんの性能、数、 働く順序が規定されていると思われるが、 数千種類の大工さんをどのように指揮しているのであろうか。

生命体形成は、ちょうど本を書くようにいくつかの 階層 で出来ている。 文字（原子）が組み合わさって単語（分子）ができ、 単語（分子） が組み合わさって文（分子複合体）ができ、文（分子複合体） が組み合わさって段落（オルガネラ）ができ、 段落（オルガネラ） が組み合わさって、節、章（細胞、組織）ができ、 それらが組み合わさって本（個体）ができる。 本の内容を理解するのに、 文字や単語のことをいくら詳しく調べてもわからない。 少なくとも文のレベルで知る必要がある。

糖鎖や脂質を取り巻く状態は分子複合体の階層にあたり、 まさに、化学物質が生き物に変わる段階である。

このプロセスを科学的に実証するのに最も相応しい研究対象が生体膜である。

生体膜は、リン脂質を基本成分とする油の膜（膜脂質）から成り、そこに膜タンパク質が挿入されて出来ている。膜脂質や膜タンパク質には糖鎖が付いているものがあり、それぞれ 糖脂質、 糖タンパク質と呼ばれる。生体膜は流動的で、膜タンパク質は生体膜上をダイナミックに移動する。しかし、けっして生体膜はランダムで均一な構造体ではなく、ところどころに分子の集合体をつくる。つまり、秩序が生じる。このように分子が集まった微小領域を 膜マイクロドメインという。この膜マイクロドメインを介して膜の内外の情報伝達が行われるので、生体にとってとても重要な場である。

膜マイクロドメインは静的構造体ではなく、ミリ秒単位で作っては壊すを繰り返す。まさしく、生体膜は『生きている』。実際の生体において、膜マイクロドメインがどのような原理で出来るのかを研究することが生体膜研究の重要課題である。


生体膜をつくる糖鎖と脂質の異常は膜機能に変調を来し、実際、ヒトの病気をひき起こすので、これらの疾患の診断と治療を行うことは医学上も重要である。糖鎖と脂質は遺伝子産物でなく、種間を越えて共通なものも多いので、外から薬として投与することにより補填できる場合も多い。

●糖鎖にはどのような特徴があるか？

（特徴１）糖鎖は多様な構造を作りやすい。

糖鎖は、構造単位の単糖が鎖のように繋がってできている。

生命体を構成する分子鎖には、核酸、タンパク質、そして糖鎖がある。
このため、糖鎖は 『第３の生命鎖』 ともよばれる。
重要なことは、これら３種類の生命鎖には情報が内包されている ことである。 生命体には、これらの情報を認識する機構 も備わっている。すなわち、化学言語 として機能している。

核酸の場合、構造単位はヌクレオチドで、DNAだとアデニン、グアニン、 シトシン、チミンの４種類から成る。 隣り合うヌクレオチドの結合のし方は１種類しかない ので、 ３つのヌクレオチドが繋がってできる場合の数は、4 X 4 X 4 = 64通りある。

タンパク質は20種類のアミノ酸から成り、隣り合うアミノ酸の結合のし方は、 核酸と同じく１種類しかない ので、 ３つのアミノ酸が繋がってできる場合の数は、20 X 20 X 20 = 8000通りある。

一方、糖鎖の場合、仮にグルコース、ガラクトース、 マンノースの３種類の単糖に限定しても、 隣り合う単糖の結合のし方が核酸やタンパク質と異なり８種類 （アノマーの違いで２種類、リンケージの違いで４種類、合計2 X 4 = 8種類） もある ので、３つの単糖が繋がってできる場合の数は、 (3 X 8) X (3 X 8) X (3 X 8) = 13824通りとなる。糖鎖を構成する単糖は、 他にもN-アセチルグルコサミン、N-アセチルガラクトサミン、グルクロン酸、 イズロン酸、シアル酸などがあるので、 もっとたくさんの種類の糖鎖ができることになる。 このように、糖鎖は単位長さあたり最も多様な構造をとることができる。

つまり、糖鎖は、限られた言葉でより複雑な情報を伝えることができる。


（特徴２）糖鎖の出来方はファジイである。

前項でも述べたように、核酸とタンパク質は遺伝子という設計図で規定されているので、 均一なものが作られる。一方、糖鎖合成には鋳型がないので、酵素 （糖転移酵素、 糖鎖硫酸転移酵素）が気まぐれに作る。 このため、出来てくる糖鎖には不均一性（heterogeneity） が生じる。 この不均一性が分子間の多様性をもたらす。

しかし、この不均一性の度合いは、同じ種類の細胞間、 あるいは個体間でよく保存されている。あたかも、何かが決めているかのように。

糖鎖は、粗面小胞体 や ゴルジ装置 において、 糖転移酵素によりタンパク質や脂質に付加される。 タンパク質に糖鎖が付くと、糖タンパク質 や プロテオグリカン が出来る。 脂質に糖鎖が付くと 糖脂質 ができる。

糖鎖の多様性は、 糖鎖自体の構造多様性（第１の特徴）のみならず、 糖鎖が付くキャリヤー部分の多様性によるところも大きい。 例えば糖タンパク質の場合、同じ細胞 （＝糖転移酵素をはじめとする糖鎖合成の環境は同じ） でもタンパク質が異なると付く糖鎖の構造が異なる。 さらに、同じタンパク質でも付く部位が変わるとで糖鎖の構造が異なる。 糖脂質の場合は、糖鎖部分の構造は同じでも脂質部分の構造が異なることがある。

このように、糖鎖とそれに付随した構造は非常に多様で、かつ、 その出来方はファジイである。

●糖鎖にはどのような生物学的機能があるか？

糖鎖は主として分泌タンパク質や細胞表面に存在しており、 細胞間コミュニケーション に関与する。 細胞間コミュニケーションは、多細胞生物 が構築する 細胞社会では不可欠であり、 システムの破綻は癌や生活習慣病 など重大な疾病に繋がる。

分泌タンパク質や細胞膜タンパク質の大部分は糖タンパク質であるので、 糖鎖は多彩な生命現象に横断的に関与する。

糖鎖を合成する糖転移酵素や糖鎖修飾酵素の遺伝子は、 糖鎖遺伝子 とよばれる（約２００種類、全遺伝子のおよそ１％） が、これら糖鎖遺伝子のノックアウトマウスやトランスジェニックマウスの研究から、 糖鎖が直接あるいは間接的にさまざまな生理機能と密接に関わっていることが明らかになってきている。

Congenital Disorders of Glycosylation（CDG） 等、 糖鎖合成異常によるヒトの遺伝疾患も多数明らかとなっている。 リソソームに局在する糖鎖分解酵素の欠損症では、 未消化の糖鎖がリソソームに蓄積してさまざまな先天性代謝異常症を引き起こすが、 これは本来の糖鎖の機能とは異なる機序が働いていると思われる。

インフルエンザやO157などの身近な感染症において、 糖鎖は微生物の受容体として機能する。 このため、特異的な糖鎖の発現がこれら微生物の向細胞性を決定する。 一方、自然免疫を司る Toll-like receptorや補体には微生物表面の糖鎖構造を認識するものがある。

細胞が癌化すると細胞表面の糖鎖構造が大きく変化する。 主な原因は、糖転移酵素の発現パターンが変化するためである。 このため、癌細胞を丸ごと免疫して、正常細胞とは反応せず癌細胞とのみ反応する単クローン抗体が得られるが、 殆んどは糖鎖に対する抗体ばかりが得られる。これを癌関連糖鎖抗原という。 　　代表的なものにCA-19-9があり、臨床で頻繁に使われている。 変化した糖鎖構造は癌の浸潤・転移に深く関わる。

ヒトのアロ抗原の代表であるABO式血液型 も糖鎖がエピトープである。

以上で述べたように、糖鎖は細胞表面を覆い、 細胞の種類や分化段階によって糖鎖構造が異なるため、 『細胞の顔』 にたとえられる。

糖脂質はリン脂質やコレステロールとともに細胞膜を構成しているが、 均一に分散して存在するのではなく、島状の 膜マイクロドメイン を形成する。糖脂質とリン脂質の物性が異なるためと考えられている。 ここには細胞増殖因子受容体やSrcキナーゼファミリーなどの情報伝達分子が集積して、 細胞外の情報を細胞内に伝えるためのプラットフォームとして機能する。

●膜脂質にはどのような特徴があるか？

界面活性剤（洗剤）のように、分子構造の中に水溶性部分と脂溶性の部分を持つ物質を両親媒性物質と呼ぶ。水溶液の中に界面活性剤を溶かすと、脂溶性部分を内部に向け、水溶性部分を外側に露出した球状の会合構造ができ、水に可溶性となる。これをミセルという。このミセルを横方向に拡大していくと中央部は平面状になり、脂質二重層シート構造ができる。

生体膜は、両親媒性物質としてリン脂質を使う。リン脂質には、リン酸がジアシルグリセロールの-OHにエステル結合したグリセロリン脂質（ホスホグリセリド）と、リン酸がセラミドの-OHに結合したスフィンゴリン脂質がある。グリセロリン脂質には、親水性頭部の構造の違いによるホスファチジルコリン、ホスファチジルエタノーラミン、ホスファチジルセリン、ホスファチジルイノシトールの分子種が存在する。スフィンゴリン脂質にはスフィンゴミエリンがある。

細胞膜の外側と細胞質側では、リン脂質組成が異なる。ホスファチジルコリンとスフィンゴミエリンは外側に多く、ホスファチジルエタノーラミン、ホスファチジルセリン、ホスファチジルイノシトールは細胞質側に多い。負の荷電性をもつホスファチジルセリンと、量的には少ないホスファチジルイノシトールは、細胞内に重要なシグナルを発信する。

生体膜は、リン脂質以外にコレステロールと糖脂質を含んでいる。コレステロールは細胞膜の外側の層にも細胞質側の層にも存在するが、糖脂質は外側にのみ存在する。

コレステロールの水酸基は、膜の外でリン脂質やスフィンゴ脂質の親水性頭部と相互作用している。一方、ステロール環とC17位に付いた炭化水素鎖は、リン脂質やスフィンゴ脂質の疎水性脂肪酸鎖と一緒に、膜の内部に埋まっている。このように、他の膜脂質と密着することにより、コレステロールは生体膜の流動性を調節し、水素イオンやナトリウムイオンなどの膜透過性を低下させている（バリア機能）。このため、生体膜中のコレステロールが不足すると、膜電位を保てなくなる。

糖脂質には、セラミドに糖鎖が付加したスフィンゴ糖脂質と、アルキルアシルグリセロールに糖鎖が付加したグリセロ糖脂質がある。グリセロ糖脂質は精子形成細胞と脳にのみ存在する。糖脂質は糖鎖構造が多様で、シアル酸をもつ糖脂質はガングリオシドと総称される。糖鎖部分に硫酸基の付いたものはスルファチドと呼ばれる。

糖脂質は、糖鎖構造によりグロボ系、ガングリオ系、ラクト系に分類される。発現する糖脂質の種類は、組織や細胞によって異なる。例えば、神経細胞にはガングリオ系のガングリオシドが多い。ミエリン鞘にはガラクトシルセラミドとスルファチドが大量に含まれる。

従来、リン脂質と糖脂質は親水性頭部の構造の違いにより分類されてきたが、近年、リン脂質と糖脂質の脂質部分の違いによる分子多様性が注目されている。これは、質量分析技術の進歩により、特定の組織あるいは特定の部位に存在するこれら膜脂質の分子種の違いを明確に示すことが可能となったからである。

脂質部分は、de novo合成経路でいったん同じ脂肪酸が付加された後、リモデリング合成経路で加工・交換が行われ、多様な構造が生まれる。このプロセシングのしかたは糖鎖の生合成と似ている。