続・生物学茶話１５２：グルタミン酸 その１ イオンチャネル型グルタミン酸受容体

カール・ハインリッヒ・リットハウゼン（図１５２－１）はポーランドに生まれ、ライプチッヒで研究を行った農芸化学者です。彼は小麦の成分の研究から１８６６年にグルタミン酸を発見しました。１８６６年といえばメンデルが遺伝の法則を発表した年です。その後さらにアーモンドの抽出物からアスパラギン酸を発見しました（１）。タンパク質成分としての酸性アミノ酸はこの２つしかありません。

池田菊苗はそれから約４０年後の１９０８年に、グルタミン酸が人がうま味を感じる成分であることを発見しました（２、図１５２－１）。ウィキペディアにも誤解を招く記述がありますが、彼はグルタミン酸の発見者ではありません。しかし彼のおかげで、グルタミン酸はその後うま味調味料「味の素」として親しまれることになりました（図１５２－１）。しかし後に、味の素の過剰摂取によって中枢神経の病気が発生することがわかり、国連の食糧農業機関から許容量を定められるなど、世界で使われる調味料になっていたので国際問題に発展しました（３－５）。実際には調味料程度の量では害はないので、それほど気にすべきことではないことがわかっています。ただタンパク質の素材であり、ありふれたアミノ酸のひとつであるグルタミン酸がなんらかの神経毒性をもっている（６、７）ということが、舌の味蕾にグルタミン酸の受容体があるのではないかということよりも強いインパクトをもって、多くの研究者をグルタミン酸の研究に導くことになりました。

戦後になって林髞（はやし・たかし、図１５２－１）は、猫の大脳皮質にアスパラギン酸やグルタミン酸を投与すると痙攣をおこすことを報告しました（８）。脳に投与すると痙攣を起こす薬物は多いので、この報告によってアスパラギン酸やグルタミン酸が神経伝達物質であるとは言えませんが、実際にこれらが神経伝達物質であることが後に証明されたので、林髞の研究は高く評価されてしかるべきだと思います。ただ発表したのがローカルな雑誌だったため、ワトキンスをはじめ多くの研究者の目にはとまらなかったと思われます（９）。林髞は直木賞作家・木々高太郎の本名で、慶應義塾大学医学部教授であると同時に作家としても大活躍しました。また松本清張を見いだした人としても有名です。

図１５２－１　グルタミン酸の発見とその性質

グルタミン酸は血液中に高濃度で含まれていても、脳の神経細胞には直接届きません。脳の神経細胞はグリア細胞でびっしりと覆われているため（血液－脳関門）、多くの場合直接毛細血管などからリリースされた栄養物質などを取り込むことができず、必要な物質はグリア細胞から供給してもらうか、自分で合成するしかありません。もし血液の成分がフリーに脳の神経細胞にアクセスできるとすれば、グルタミン酸などは当然血液にも含まれているので、特異的な神経伝達はできないと思われます。そういう意味でも血液－脳関門は脳における神経伝達には重要です。このことについては後にまた触れることになるでしょう。

図１５２－２に神経細胞などがグルタミン酸を生合成する際の経路を記しました。グルタミン酸は必須アミノ酸ではなく、さまざまな生合成経路があります。

図１５２－２　グルタミン酸のさまざまな生合成経路

ワトキンスはオーストラリア人ですが、Ph.D はケンブリッジ大学で取得し、その後渡米してポストドクとしてイェール大学で研究していましたが、友人のすすめで故国のキャンベラにいるエクレス教授のもとに移転し、そこでカーティスらと共同で神経伝達物質の研究を行うことにしました（図１５２－３）。彼らは猫の脊髄を使って、グルタミン酸やアスパラギン酸が興奮性の神経伝達物質であることを確信し、Nature に論文を発表しました（１０）。

ところがグルタミン酸やアスパラギン酸が実際に生体内で使われる興奮性神経伝達物質であるかどうかについては、懐疑的な意見が大勢を占めました。その理由は１）酸性アミノ酸であればＤ型・Ｌ型どちらでもいいなど特異性に問題がある、２）有効な濃度がアセチルコリンやノルアドレナリンと比べて高すぎる、３）興奮性ニューロンの電位変化とは異なるパターンを示す、などでした。しかもグルタミン酸をマウスに皮下注射すると、数時間で網膜の神経細胞が損傷するという結果まで報告されていたことは彼らにとって不利でした（１１）。その結果カーティスやワトキンスのグループは長い冬の時代を迎えることになりました。

図１５２－３　神経伝達物質としてのグルタミン酸をみつけた研究者達

しかしその冬の時代もワトキンスらは息絶えることなく、地道に研究を進めました。そのひとつはＮＭＤＡ（N-メチル-D-アスパラギン酸、図１５２－４）というグルタミン酸と桁違いの活性を持つアゴニストを発見したことです。この物質はＤ型の方がＬ型よりはるかに強い活性を示しました（１２）。そして状況をさらに変化させる助け船は、思わぬところから現れました。

太平洋戦争後しばらくの間まで日本では人糞を肥料として用いていたため、多くの人々が回虫に感染していて、定期的に虫下しを服用する必要がありました。そこで様々な薬品が開発されまた使用されましたが、その中にカイニン酸という海藻から抽出されたグルタミン酸骨格を有する複素環化合物がありました（１３、図１５２－４）。

篠崎温彦（しのざき・はるひこ）らはこのカイニン酸がグルタミン酸感受性シナプスに何らかの影響をあたえるのではないかと考え、ラット大脳ニューロンに適用したところ、グルタミン酸より遙かに強力な興奮作用があることを発見しました（１４）。彼らはさらに使君子という植物から抽出された駆虫剤の成分であるキスカル酸が、やはりグルタミン酸より遙かに強力な興奮作用を持つことを報告しました（１５、１６、図１５２－４）。これらの物質はあらかじめグルタミン酸を作用させて脱感作した細胞では無効であることから、グルタミン酸とおなじターゲット＝受容体に作用することが示唆されました。

篠崎らのすぐれていたところは、ラットだけでなく、ザリガニの筋肉を用いて実験を行ったことです。彼らの文章を引用すると「グルタミン酸をつめた微小ピペットを通して電気泳動用の短い電流を流しながら、このピペットをザリガニ開鋏筋表面上に沿って動かしていくと、ある限局した場所にグルタミン酸を適用した場合にだけ脱分極が生じる。グルタミン酸に敏感なその限局した場所は神経筋接合部と一致する。」「化学構造上グルタミン酸に類似しているとみなすことができるキスカル酸は,甲殻類神経筋接合部において、何らかの作用を示すのではないかと思われた.ザリガニ開鋏筋にキスカル酸を適用したところ,著しい脱分極を起こし,その効力はグルタミン酸より数百倍以上も強力であった。電気泳動法によって局所に適用すると、グルタミン酸の感受性部位とキスカル酸の感受性部位は完全に一致し,グルタミン酸によりレセプターのdesensitizationを起こさせておくと,キスカル酸による脱分極は認められないことから、キスカル酸はグルタミン酸と同一のレセプターに結合することが示唆された。」などの記述があります（１７）。当時としては精密な実験を行って説得力のある結果を得ていたことがうかがえます。

図１５２－４　グルタミン酸のアゴニスト　イオンチャネル型受容体の作用するもの

篠崎らの論文を読んだオルニーは、カイニン酸などの化合物について全く知らなかったので（論文は当時日本語のものしかなかった）、篠崎は日本語の論文を英訳して送ってあげたそうです（１８）。オルニーらはその後グルタミン酸およびカイニン酸などの物質をマウスに投与して神経病理学的検討を行い、「神経細胞を興奮させる作用」と「神経細胞死をおこす作用」が密接に関連していることを示し、神経伝達物質としてのグルタミン酸の認知に大きく貢献しました（１９）。

現在ではワトキンスらが当初から研究してきた受容体はＮＭＤＡ型グルタミン酸受容体、カイニン酸がアゴニストとなる受容体はカイニン酸型グルタミン酸受容体、キスカル酸がアゴニストとなる受容体はＡＭＰＡ型グルタミン酸受容体といういずれもイオンチャネル型の別々の受容体であることが明らかとなっています。

ＮＭＤＡ（N-メチル-D-アスパラギン酸）がアゴニストとなる受容体の遺伝子構造は、京都大学の西村研で森吉弘毅らによって行われました（２０）。この受容体はＮＲ１とＮＲ２という二つのサブユニットが各２個集まった４つのサブユニットで形成され（図１５２－５、図１５２－６）、リガンドすなわちグルタミン酸やアゴニストがこれらに結合すると、イオンチャネルが開いてNa+、K+、Ca++などの陽イオンを通過させ、細胞を脱分極させることができます（図１５２－５）。

ＮＲ１（ＧｌｕＮ１）はスプライシングバリアントがいくつかあるのみですが、ＮＲ２サブユニットにはさらに ＮＲ２Ａ、ＮＲ２Ｂ、ＮＲ２Ｃ、ＮＲ２Ｄ の4種類がクローニングされており、それぞれＮＲ１のパートナーとなり得ますが、発現部位や発現時期が異なっています。たとえば、ＮＲ２Ｄサブユニットは胎生期に選択的に発現するサブユニットであると考えられています（２１）。たとえばヘモグロビンだと、胎児では酸素分圧が低いので酸素と強く結合する胎児型ヘモグロビンが有効に作用していますが、ＮＲ２Ｄがいかなる理由で胎児に存在するのかはわかりません。図１５２－５に示したように、グルタミン酸はＮＲ２に結合します。

ここでひとつ重要な点は、この受容体は通常の静止膜電位の状態だとMg++イオンによって阻害されているため、イオンチャネルはリガンドが結合しても開かないということです。まず他の受容体の作用によってある程度の脱分極がおこらないと、この受容体は作動しません。つまりこの受容体は脱分極の強化または持続に特化した作用をもつと思われます。

このイオンチャネルはいったん開くとナトリウムイオンやカリウムイオンの他、カルシウムイオンもフリーに通過させるというのが特徴で、細胞内のカルシウムイオン濃度が増大すると、さまざまな代謝的影響が出るので、このチャネルは代謝型を兼ねているともいえます。さらにこのチャネルが作動するためには、図１５２－５に示したＮＲ１の Glycine binding site に、セリンかグリシンが結合している必要があり（グルタミン酸が結合するのはＮＲ２で、ＮＲ１には結合しない）ことです（２１、２２）。そういう意味ではこのＮＭＤＡ型受容体は正確に言えば　グルタミン酸∩(グリシン∪セリン) 受容体ということになります。またZn++イオンやポリアミンも制御に関与しているとされています（２２）。

図１５２－５　ＮＭＤＡ型グルタミン酸受容体

ＮＭＤＡ型受容体のサブユニットはそれぞれ膜３回貫通型のタンパク質であり、細胞外にあるＮ末部位は巨大で、リガンド結合部位やアロステリック制御部位などが存在します。ところがこの受容体は細胞内のＣ末部位も複雑に発達していて、図１５２－６に示すような様々なタンパク質キナーゼ（Fyn、αKamKII、P85P13k）や、ＰＳＤ９５という足場タンパク質と結合するサイトがあります（２３、図１５２－６）。この受容体がイオンチャネルでありながら、代謝型の特徴も兼備していることが示唆されます。

図１５２－６　ＮＭＤＡ型グルタミン酸受容体の立体構造

２つめのイオンチャネル型グルタミン酸受容体はカイニン酸型です。前述のように、このタイプの受容体は篠崎温彦らによって発見されました。カイニン酸やドウモイ酸がアゴニストとして知られています（図１５２－７）。ちなみに篠崎先生は現在株式会社カイネートの代表取締役をなさっているようです。

ＮＭＤＡ型と同様４つのサブユニット（２ｘ２）でひとつの受容体が形成されています。サブユニットには Gluk1-Gluk5 の５種類があります。それぞれのサブユニットは膜３回貫通型で、細胞膜に埋め込まれたヘアピンループがひとつ存在するなどＮＭＤＡ型とよく似ています。細胞外にリガンド結合部位を含む巨大なＮ末部位があり、細胞内にＣ末部位があります（２４、図１２５－７、模式図は脳科学辞典 参照２４より）。

図１５２－７　カイニン酸型グルタミン酸受容体

カイニン酸型受容体遺伝子のクローニングを最初に行ったのはハルマンらで１９８９年のことでした（２５）。その後の研究進展の歴史をまとめた総説が出版されていますので、詳しく知りたい方はご覧下さい（２６）。このタイプの受容体の機能についてはまだまだ謎が多くて、私にもよくわかりません。脳科学辞典（２４）を少し引用すると「カイニン酸受容体が介するシナプス応答は、海馬CA3野の同じ錐体細胞から得られるAMPA型グルタミン酸受容体を介するシナプス応答に比べてゆっくりとした時間経過を示す。カイニン酸受容体を介するシナプス応答のピーク振幅は、AMPA型グルタミン酸受容体を介するシナプス応答の～10 %程度と小さな割合だが、持続時間が長いため興奮性シナプス後電位（EPSP）の加重によるスパイク発生に寄与すると考えられている」、などという記載があります。

クリステンセンらが発表した受容体の立体構造を図１５２－８に示します。ＬＢＤはリガンド結合ドメイン（ligand binding domain）の略称です。カイニン酸の結合部位が示されています。立体構造をみると最外部のＮ末領域、中間部のＬＢＤ、膜貫通部位の３つのドメインに分かれていることがよくわかります。この他に細胞内にＣ末領域があり、ここで足場タンパク質と結合しているとすると、全体的には非常に巨大な構造体を構成していることになります。

図１５２－８　カイニン酸型グルタミン酸受容体の立体構造

３つめのイオンチャネル型グルタミン酸受容体はＡＭＰＡ型ですが、このタイプは数が多く分布も広い上に、ＮＭＤＡ型は通常Ｍｇ＋＋イオンでオフ状態なので、中枢神経系におけるグルタミン酸性の興奮性シナプス伝達は、普段主にこの受容体によって行われていると考えられています（２７、２８）。ＡＭＰＡ型受容体の反応は瞬時であり、他の受容体では果たせない、即効性の興奮性シナプス伝達をになうのに適しています。

他のイオンチャネル型グルタミン酸受容体と同様、４つのサブユニットの集合体（テトラマー）によって受容体が形成されています。グルタミン酸またはそのアゴニストはすべてのサブユニットに１分子づつ結合します。各サブユニットはそれぞれ３回膜貫通タンパク質で、細胞膜内に一カ所ループがあることも含めて他の受容体とよく似ています（図１５２－９）。

グルタミン酸またはアゴニストが結合することによって、陽イオンのチャネルが解放され、Ｎａ＋、Ｋ＋、Ｃａ＋＋などのイオンが通過し、脱分極がおこります。チャネルを構成するサブユニットのクローニング・構造決定もハルマン、ハイネマンのグループが主導して行われました（２９，図１５２－９）。

ここでひとつ問題なのは、サブユニットの呼称が統一されていないということです。日本版のウィキペディアでは GluR1-R4 ですが、米国版では GluA1-A4 となっています。なかには同じウェブページで両方が使われている場合もあります（３０）。さらに面倒なのは１～４ではなくＡ～Ｄと記述している文献もあることで、本当にいい加減にしてほしい。

図１５２－９　ＡＭＰＡ型グルタミン酸受容体

これまで述べてきた３種のチャネル型グルタミン酸受容体の立体構造が Protein data bank Japan に掲載されていたので、図１５２－１０に示します（３１）。ここで注目すべきは、ＡＭＰＡ型受容体の膜貫通部位にＴＡＲＰ（Transmembrane AMPA receptor regulatory protein・膜貫通AMPA受容体調節性タンパク質）と呼ばれる制御タンパク質がとりついていることです（図１５２－１０）。

このタンパク質は線虫から哺乳類まで保存されているそうで、Ｎ末・Ｃ末ともに細胞内にある膜４回貫通タンパク質であり、受容体の開口速度を速めたり、脱感作速度を遅めたりするなどの機能があるようです（３２）。

図１５２－１０　ＡＭＰＡ型グルタミン酸受容体の立体構造と制御因子

ここで述べてきたようにグルタミン酸による神経伝達は脳において、すなわちヒトにおいて、最も重要な神経伝達経路であるにもかかわらず、この経路の解明に貢献した研究者達にノーベル賞が授与されていないのは不思議な話です。

参照

１）DBpedia, About: Karl Heinrich Ritthausen
http://dbpedia.org/page/Karl_Heinrich_RitthausenBritishJournalofPharmacology(2006)147,S100?S108

２）ウィキペディア：池田菊苗
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%B1%A0%E7%94%B0%E8%8F%8A%E8%8B%97

３）ウィキペディア：味の素
https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%91%B3%E3%81%AE%E7%B4%A0#%E5%AE%B3%E6%80%A7%E3%83%BB%E5%AE%89%E5%85%A8%E6%80%A7

４）船瀬俊介　「味の素の罪」　ヒカルランド　２０２０年刊

５）内閣府　食品安全委員会　食品安全関係情報詳細
http://www.fsc.go.jp/fsciis/foodSafetyMaterial/show/syu04750090149

６）鈴木将貴、神経の働きを調節する新たなメカニズムを発見　KOMPAS
http://kompas.hosp.keio.ac.jp/sp/contents/medical_info/science/201508.html

７）三谷章、グルタミン酸神経毒性：脳虚血性神経細胞死の発生過程におけるグルタミン酸トランスポーターとグルタミン酸受容体の役割　日臨麻会誌Vol.19 No.3, pp.167-175（1999）
https://www.jstage.jst.go.jp/article/jjsca1981/19/3/19_3_167/_pdf/-char/ja

８）T.HAYASHI, A physiological study of epileptic seizures following cortical stimulation in animals and its application to human clinics. 　Jpn. J. Physiol.: vol.3(1); pp.46-64 (1952)
file:///C:/Users/User/AppData/Local/Microsoft/Windows/INetCache/IE/PVA09UPG/3_46.pdf

９）Jeffrey C.Watkins & David E.Jane, The glutamate story., British Journal of Pharmacology, vol.147, pp.S100-S108 (2006)
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16402093

１０）D. R. CURTIS, J.W. PHILLIS & J.C. WATKINS., Chemical Excitation of Spinal Neurones., Nature vol.183, pp.611-612 (1959)
https://www.nature.com/articles/183611a0

１１）Lucus DR and Newhouse JP: The toxic effect of sodium L-glutamate on the inner layers of the retina. Arch Ophthalmol 58, 193-201 (1957)

１２）Curtis, D.R. & Watkins, J.C., The pharmacology of amino acids related to gamma-aminobutyric acid. Pharm. Rev., vol.17, pp.347-391.(1965)

１３）カイニンソウ
https://kotobank.jp/word/%E3%83%9E%E3%82%AF%E3%83%AA-669613

１４）Haruhiko Shinozaki, Shiro Konishi., Actions of several anthelmintics and insecticides on rat cortical neurones. Brain Research,vol.24,issue 2, pp.368-371 (1970)
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0006899370901228?via%3Dihub

１５）シクンシ
https://www.weblio.jp/content/%E4%BD%BF%E5%90%9B%E5%AD%90

１６）Shinozaki H and Shibuya I: A new potent excitant, quisqualic acid: effects on crayfish neuromuscular junction. Neuropharmacology vol.13, pp.665-672 (1974)
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0028390874900562

１７）篠崎温彦 比較生物学的にみた神経伝達物質 化学と生物　Vol.17,　No.10, pp.616-624 (1979)
https://doi.org/10.1271/kagakutoseibutsu1962.17.616

１８）篠崎温彦　グルタミン酸受容体の薬理学 一 アゴニストを中心として 一　日薬理誌(FoliaPharmacol.Jpn.)　vol.116, pp.125～131 (2000)
file:///C:/Users/User/Desktop/グルタミン酸/116_125.pdf

１９）Olney JW, Rhee V and Ho Q: Kainic acid: a powerful neurotoxic analogue of glutamate. Brain Res 77,
507-512 (1974)

２０）Moriyoshi K, Masu M, Ishii T, Shigemoto R, Mizuno N, Nakanishi S., "Molecular cloning and characterization of the rat NMDA receptor". Nature. vol.354 (6348): pp.31-37. doi:10.1038/354031a0. PMID 1834949
https://www.nature.com/articles/354031a0

２１）ウィキペディア：NMDA型グルタミン酸受容体
https://ja.wikipedia.org/wiki/NMDA%E5%9E%8B%E3%82%B0%E3%83%AB%E3%82%BF%E3%83%9F%E3%83%B3%E9%85%B8%E5%8F%97%E5%AE%B9%E4%BD%93

２２）Wikipedia: NMDA receptor
https://en.wikipedia.org/wiki/NMDA_receptor

２３）Kasper B. Hansen et al., Structure, function, and allosteric modulation of NMDA receptors., J. Gen. Physiol., jgp Home, 150 (8): 1081 (2018)
http://jgp.rupress.org/content/150/8/1081

２４）脳科学辞典　カイニン酸型グルタミン酸受容体
https://bsd.neuroinf.jp/wiki/%E3%82%AB%E3%82%A4%E3%83%8B%E3%83%B3%E9%85%B8%E5%9E%8B%E3%82%B0%E3%83%AB%E3%82%BF%E3%83%9F%E3%83%B3%E9%85%B8%E5%8F%97%E5%AE%B9%E4%BD%93

２５）Hollmann M, O'Shea-Greenfield A, Rogers SW, Heinemann S., Cloning by functional expression of a member of the glutamate receptor family. Nature. vol.342(6250): pp.643-648, (1989)
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/2480522?dopt=Abstract

２６）Anis Contractor, Christophe Mulle and Geoffrey T Swanson., Kainate receptors coming of age: milestones of two decades of research., Trends Neurosci. vol. 34(3): pp.154-163. (2011)
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3051042/
file:///C:/Users/User/Desktop/グルタミン酸受容体/nihms267712.pdf

２７）ウィキペディア：AMPA型グルタミン酸受容体
https://ja.wikipedia.org/wiki/AMPA%E5%9E%8B%E3%82%B0%E3%83%AB%E3%82%BF%E3%83%9F%E3%83%B3%E9%85%B8%E5%8F%97%E5%AE%B9%E4%BD%93

２８）Traynelis et al., Glutamete receptor in ion channels: structure, regulation, and function. Pharmacol. review, vol.62, pp.405-496 (2010)

２９）M. Hollmann and S. Heinemann (1994). Cloned glutamate receptors. Annual Review of Neuroscience 17: 31-108.doi: 10.1146/annurev.ne.17.030194.000335

３０）https://www.sciencedirect.com/topics/neuroscience/ampa-receptor

３１）ＰＤＢｊ２３５：ＡＭＰＡ受容体
https://pdbj.org/mom/235

３２）脳科学辞典：膜貫通AMPA受容体調節性タンパク質
https://bsd.neuroinf.jp/wiki/%E8%86%9C%E8%B2%AB%E9%80%9AAMPA%E5%8F%97%E5%AE%B9%E4%BD%93%E8%AA%BF%E7%AF%80%E6%80%A7%E3%82%BF%E3%83%B3%E3%83%91%E3%82%AF%E8%B3%AA