やぶにらみ生物論１３１： グルタミン酸 その２

グルタミン酸やアスパラギン酸も他の神経伝達物質と同様、神経伝達物質として用いるには、まずそれらがシナプス前細胞のシナプス小胞にとりこまれストックされておく必要があります。これを実行するグルタミン酸トランスポーターは、solute carrier family（ＳＬＣ）というタンパク質のスーパーファミリーに所属しており、その中のＳＬＣ１７というサブグループを構成しています。このサブグループに所属するタンパク質は vesicular glutamate transporter(VGluT)=小胞型グルタミン酸輸送体と呼ばれています（１）。

ＳＬＣ１７とは別グループの小胞トランスポーターファミリーにはＳＬＣ１８とＳＬＣ３２があり、前者はモノアミン、後者はＧＡＢＡやグリシンをシナプス小胞に輸送します。シナプス小胞の膜には vacuolar (or vesicular) ATPase (V-ATPase) というＡＴＰのエネルギーを使ってプロトン（Ｈ＋）を膜の内側に取り込むシステムが存在し、この働きによって小胞内部は高濃度の水素イオンでプラスチャージが維持されています。したがって膜に通路ができればグルタミン酸などマイナスチャージを持った分子は電気泳動的に小胞に流入します（２、図１）。ただしその通路には特異性があり、特定の分子しか通過できません。

プラスチャージのモノアミン類は、水素イオンが濃度勾配によって外部に流出するのと共役して小胞に取り込まれます。またＧＡＢＡやグリシンも取り込まれますが、脳科学辞典ではモノアミン類と同様水素イオンの濃度勾配を利用するとしていますが（３）、塩素イオンの流入を利用するとの記載もあります（２）。

ＳＬＣ１７に所属するグルタミン酸（アスパラギン酸）輸送体には４つのアイソフォームがあり、それぞれ、VGLUT1・VGLUT2・VGLUT3・VEAT と命名されています。文献２によるとVGLUT1-3 はグルタミン酸専用、VEATはグルタミン酸とアスパラギン酸を輸送するようです。

脳科学辞典によると VGLUT1 および VGLUT2 のノックアウトマウスは致死ですが、VGLUT3 のノックアウトマウスは生存し、聴覚障害・不安傾向の増大・てんかん・痛みの感受性低下などを発症するそうです（３）。VGLUT1 および VGLUT2 が互いに補完することができないというのは驚きです。もちろん局在に違いはありますが（４）、ならば臨時に転写・翻訳を増強してもよさそうなものですが、なぜかそうはいかないようです。

VGRUT1とVGLUT2 はよく似た１２回膜貫通タンパク質。VEAT は細胞質に露出するN末・C末がどちらも VGRUT1・VGLUT2 と比較して短いなどの差はありますが、やはり１２回膜貫通タンパク質。VGLUT3 はこれらと異なり１０回膜貫通タンパク質です（５、図２）。最近の研究によって、貫通部位のアミノ酸配列も明らかになっているようです（６、図２）。またそれらをつなぐ膜外の配列についても、実際には図２のような２次元ではなく３次元構造をとっているので、貫通部位の番号が図では離れていても実際の距離は近いという場合があります。立体構造として理解することが必要です。関心のある方は林真理子氏の文献（６）をご覧ください。

細胞の外からグルタミン酸（アスパラギン酸）を取り込むには VGRUT とは異なるグループのトランスポーターが必要です。しかしこのトランスポーターを持っているのはシナプス前細胞ではなく、シナプス後細胞とアストログリア細胞です（図３）。すなわち神経伝達物質として使用するグルタミン酸を細胞内に取り込むためではなく、シナプス間隙に残された余剰のグルタミン酸をすばやく回収するための装置なのです。

アストログリア細胞が回収したグルタミン酸はグルタミンに変換され、アストログリア細胞からグルタミンの形でシナプス前細胞に運搬され、シナプス前細胞内でグルタミナーゼの作用でグルタミン酸に変換されて、シナプス小胞に濃縮されるという段取りになります（図３）。

このシステムには大きなメリットがあります。すなわちグリア細胞からはグルタミン酸が排出されないので、シナプスにおけるグルタミン酸の受け渡しにノイズが発生せず、神経伝達のフィデリティーが向上することになります。

細胞膜のグルタミン酸トランスポーターは、そのアミノ酸配列から当初１０回以上細胞膜を貫通する分子と考えられていましたが、２カ所でヘアピンループを構成していることが判明し、８回膜貫通タンパク質であることがわかりました（６）。アミノ末端とカルボキシル末端はいずれも細胞質側に露出しています。２つのヘアピンループは細胞膜内で対面しており、グルタミン酸輸送のキーポジションを構成しているようです（６、図４）。

このトランスポーターはナトリウムイオンが細胞外で高濃度・細胞内で低濃度であることを利用して、電気化学ポテンシャルによってグルタミン酸を細胞内に取り込むことができます。1分子のグルタミン酸の取り込みは、３個のNa+および１個のH+の共輸送、１個のK+の対向輸送と共役しています（７、図４）。取り込まれたナトリウムイオンは Na+/K+-ATPアーゼを用いて排出しなければならないので、グルタミン酸の取り込みにはＡＴＰのエネルギーが必要です。

グルタミン酸トランスポーターはＳＬＣ１ファミリーに所属し、さらにヒトでは５種類のサブグループが存在することが知られていて、それぞれ EAAT1-EAAT5 と命名されています。EAAT は excitatory amino acid transporter の略称です（図５）。

これらのトランスポーターが欠損するまたは阻害されると、シナプス間隙にグルタミン酸が刺激後も残留することになり、過剰な反復刺激が発生するなどの影響で、さまざまな疾患が発生します（７）。

グルタミン酸トランスポーターはあらゆる生物にユニバーサルに存在し、図６にある種の古細菌とヒトの分子を示していますが、非常に良く構造が似ています。いずれも３分子の集合体によって構造が形成されているところも同じです。赤の部分は後生動物で追加された部分です（６、図６）。

グルタミン酸受容体については次回に述べる予定です。

参照

１）Solute carrier family
https://en.wikipedia.org/wiki/Solute_carrier_family

２）Hiroshi Omote and Yoshinori Moriyama1,　Vesicular Neurotransmitter Transporters: An Approach for Studying Transporters With Purified Proteins., PHYSIOLOGY vol.28: pp.39-50, (2013); doi:10.1152/physiol.00033.2012
file:///C:/Users/User/Desktop/グルタミン酸/omote%20&%20moriyama%20review.pdf

３）脳科学辞典：小胞グルタミン酸トランスポーター
https://bsd.neuroinf.jp/wiki/%E5%B0%8F%E8%83%9E%E3%82%B0%E3%83%AB%E3%82%BF%E3%83%9F%E3%83%B3%E9%85%B8%E3%83%88%E3%83%A9%E3%83%B3%E3%82%B9%E3%83%9D%E3%83%BC%E3%82%BF%E3%83%BC

４）Erika Vigneault et al., Distribution of vesicular glutamate transporters in the human brain. Front. Neuroanat., 05 March (2015)
https://doi.org/10.3389/fnana.2015.00023

５）Joeri Van Liefferinge et al., Are vesicular neurotransmitter transporters potential treatment targets for temporal lobe epilepsy?  Front. Cell. Neurosci., 30 August (2013)
https://doi.org/10.3389/fncel.2013.00139

６）Mariko Kato Hayashi, Structure-Function Relationship of Transporters in the Glutamate?Glutamine Cycle of the Central Nervous System. Int. J. Molec. Sci., vol.19, no.4, (2018) doi: 10.3390/ijms19041177
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5979278/

７）脳科学辞典：グルタミン酸トランスポーター
https://bsd.neuroinf.jp/wiki/%E3%82%B0%E3%83%AB%E3%82%BF%E3%83%9F%E3%83%B3%E9%85%B8%E3%83%88%E3%83%A9%E3%83%B3%E3%82%B9%E3%83%9D%E3%83%BC%E3%82%BF%E3%83%BC