細胞膜シグナル伝達のためのラフト構造を解明
—アルツハイマー病発症、ＨＩＶ感染などの研究に貢献—

＜１．背景＞

細胞膜上の受容体に、細胞外からやってきたシグナル分子（リガンド）が結合すると、それが細胞内に伝わって、細胞は増殖したり移動したりします。このように、細胞機能を変化させるシグナル伝達は、細胞膜の最も重要な働きの１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。

＜２．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ＧＰＩ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、ＧＰＩ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、ＧＰＩ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、ＧＰＩ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、

• （１） ＧＰＩ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）。
• （２） ＧＰＩ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ＧＰＩ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）。
• （３） 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ＧＰＩアンカー型受容体も集まれる。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）。
• （４） 細胞外からのシグナル分子（リガンド）がＧＰＩアンカー型タンパク質（ＣＤ５９^注６））に結合すると、非常に安定な（寿命が６秒以上の）４量体を形成した（図４）。
• （５） リガンドが結合した４量体には、さらに細胞内のシグナル分子が誘導され、細胞内シグナルが発生する（図４）。

まとめると、細胞外からシグナルが来る前の細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結合して、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。

今回の発見は、通常の生物学や基礎医学の方法と全く違うナノ・メゾテクノロジーを用いて可能になったものです。生きている細胞中で、１個ずつの分子を見て、それらがどのように組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^注７）、ラフトの実体と、それがはたらく仕組みが、一気に明らかになったのです。

＜３．今後の期待＞

今後は、安定化４量体がどのようにして細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課題です。有力な仮説は、膜の表裏をつなぐ貫通型タンパク質“Ｘ”がＧＰＩアンカー型タンパク質の４量体形成依存的に誘導されることです。また、アルツハイマー病の発症、エイズウィルスやＢＳＥなどの感染でも、細胞膜上でタンパク質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誘導との関係の理解、タンパク質集合の阻害法などの開発が、今後の重要な課題です。

＜参考図＞

＜論文タイトルと著者＞

“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

＜関連リンク＞

京都大学 物質-細胞統合システム拠点
http://www.icems.kyoto-u.ac.jp/j/pr/2012/07/23-nr.html

＜用語解説＞

注１） ラフト

細胞膜は２次元状の液体である。それで、細胞膜を海面に例えると、そこにぷかぷか浮いているイカダ、というイメージからラフトという名前が使われるようになった。細胞膜は一様ではなく、氷山のようなものができていたり、シャーベット状の塊（正しくは、秩序液晶相という領域）があったりという議論は、この４０年間ほど続いている。人工膜では、このような膜領域を作り出すことができている。しかし、実際の細胞膜がどうなっているかは、ほとんどわかっていなかった。人工膜では、大抵、２～３種類の脂質分子で膜を構成するので、そこで、シャーベット状の塊を作るために必要な代表的な脂質分子は、コレステロールと糖脂質であることがわかっている。しかし、細胞膜中には、１万種程度の分子が存在し、それらがどのように混ざり合って、液体中に不均一な構造を作るのかは、ほとんどわかっていなかった。したがって本研究で、ＧＰＩアンカー型受容体の会合が誘導されると、そこに、コレステロールと糖脂質が集まって直径数ｎｍ～数１０ｎｍのラフトが誘導されることがわかったことは、細胞膜の構造と機能の理解を大きく前進させるものである。

注２） 受容体（ｒｅｃｅｐｔｏｒ）

細胞膜上にあり、光・ホルモン・抗原などの刺激を選択的に受け取って細胞機能に変化を生じさせる物質。

注３） ＧＰＩアンカー型受容体

ＧＰＩは、ｇｌｙｃｏｓｙｌｐｈｏｓｐｈａｔｉｄｙｌｉｎｏｓｉｔｏｌ＝グリコシル・ホスファチ ジルイノシトールと呼ばれるリン脂質の一般的略称。受容体タンパク質の１５％程度は、ＧＰＩに共有結合することによって、細胞膜に結合（アンカー）されている。このような受容体をＧＰＩアンカー型受容体と呼ぶ。ＧＰＩアンカー型受容体は細胞内に露出していないため、この分子だけでは細胞内にシグナルが伝わらない。

注４） ２量体（ｄｉｍｅｒ）

分子２個が結合して生成する２分子結合体のこと。３つ・４つの分子がまとまっ た場合は３量体・４量体と呼ぶ。

注５） リガンド

細胞外分子で、受容体に結合する分子。広義には、タンパク質分子に結合して、新たな機能を与えたり、構造変化を誘導したりする分子を、リガンドと呼ぶ。

注６） ＣＤ５９

ＧＰＩアンカー型受容体の一種。免疫系の補体複合体をリガンドとし、補体系に よる自己攻撃を阻止するためのシグナルを、細胞内に発する。

注７） 細胞膜上の１分子観察

生細胞中で観察したい目的分子に、蛍光を発する分子を結合させ、蛍光を目印に１分子分解能でその分子を観察する方法。このためには、特殊な蛍光顕微鏡（本研究では、研究室で開発し組み立てた顕微鏡）を用いる。多数の分子の挙動を１個ずつ見て、それらの動きや分布変化が追跡できる。本研究グループでは１９８６年以来、特殊な顕微鏡の開発だけでなく、細胞がよい状態のまま１分子観察をするための自動化技術、画像取得後にノイズの中からシグナルを拾って１分子を追跡するためのソフトウェアの開発などの技術開発を実施してきており、この分野での世界のリーダーとなっている。

＜お問い合わせ先＞

＜研究内容について＞

鈴木 健一（スズキ ケンイチ）
京都大学 物質－細胞統合システム拠点（ｉＣｅＭＳ）　准教授
元　ＪＳＴ 戦略的創造研究推進事業 さきがけ「生命システムの動作原理と基盤技術」　研究員
（このプロジェクト自体は終了しています）
Tel：075-751-4112
E-mail：

楠見 明弘（クスミ アキヒロ）
京都大学 物質－細胞統合システム拠点（ｉＣｅＭＳ）　教授
京都大学 再生医科学研究所　教授
Tel：075-751-4112
E-mail：

＜京都大学 物質－細胞統合システム拠点（ｉＣｅＭＳ）について＞

今羽右左 デイヴィッド 甫（コンハウザ デイヴィッド ハジメ）、飯島 由多加（イイジマ ユタカ）
京都大学 物質－細胞統合システム拠点（ｉＣｅＭＳ）　国際広報セクション
Tel：075-753-9755
E-mail：

＜ＪＳＴの事業に関すること＞

原口 亮治（ハラグチ リョウジ）、木村 文治（キムラ フミハル）
科学技術振興機構 戦略研究推進部
Tel：03-3512-3525
E-mail：