生物学茶話＠渋めのダージリンはいかが７４： 細胞骨格１

ボートは船の格好をしている堅い構造体なので漕げば思う方向に進むわけですが、これが不定形のふにゃふにゃとしたものであれば、乱流が発生して漕ぐのはとても困難になるでしょう。

左の写真はウィキペディアから拝借した佐渡のたらい船ですが、実際にこれを漕いでみた方は、その困難さに驚いたのではないでしょうか（こちら ）？

ですから細菌がピンと張った船あるいは棒状の細胞であることは重要です。彼らは保有している唯一の複雑で高級な備品である鞭毛を動かし、栄養物質を求めて泳ぎます。細菌はアメーバのような方法で移動することはできません。

脂質で構成されている細胞膜ではこのような堅さは実現できません。そこで細菌は糖ペプチドや糖脂質でできた細胞壁で細胞を被って、丈夫でかつ鞭毛で泳ぎやすい細胞を作り出しました。細菌にも細胞骨格があるという話を聞いたときには、おそらく硬い屋根のような構造には梁が必要だろうと思ったわけですが、事はそう単純ではありませんでした。

真核生物の細胞骨格には、チューブリン系・アクチン系・ケラチン系の３つのグループのタンパク質群が存在します。細胞骨格という名前からは骨のような硬い物質が連想されますが、そうではなく、分子が重合して繊維状の構造を形成できる物質と考えた方が近いと思います。ひとつ注意したいのはカイコの繭やクモの糸などは繊維状のタンパク質重合体ではありますが、細胞の外に出て機能するものは細胞骨格とは言いません。

細菌の細胞骨格研究の萌芽は、１９９１年のバイとルトケンハウスによる FtsZ の局在に関する研究でした（１）。どうして真核生物に比べて、細菌の細胞骨格研究が著しく遅れたかというと、それは細菌におけるタンパク質の局在は、光学顕微鏡で研究するのはターゲットが小さいためなかなか難しく、電子顕微鏡に頼らざるを得なかったからです。電子顕微鏡によるタンパク質の同定（免疫電顕）には多くの技術的制限があって、一筋縄ではいかないことが多いのです。

バイとルトケンハウスの研究をまとめたのが図１です。真核生物の収縮環にアクチンが集合するのはわかっていたので（図１右の緑色に染められた細胞）、細菌型アクチンかと色めき立ったのですが、真相はもっと驚くべきことでした。デブール（図１）らとレイチャンドゥーリらは１９９２年、FtsZ がアクチンではなくチューブリンのホモログであることを発表したのです（２、３）。細菌ばかりでなく、一般的に古細菌もFtsZ を使って細胞分裂を行うようです（４）。

FtsZ は２０世紀の中頃、広田幸敬が細胞分裂の温度感受性突然変異体を多数作ったなかに、この遺伝子のミュータントがみつかっていました（５）。これがチューブリンのホモログだなんてきっと広田は墓の中で驚いていることでしょう。ようやく１９９０年代になってその研究が端緒についたわけです。まだ FtsZ がどのように分裂溝形成にかかわっているかということは完全には解明されていませんが、細胞膜と結合するためのアンカーや制御因子の研究は進んでいるようです。この遺伝子を分裂酵母に組み込んで発現させると、やはり分裂溝に集まってくるそうなので（６）、分裂溝となんらかの関係があることは確からしいです。

FtsZ は葉緑体にも存在し、驚くべきことに真核生物においては、真核生物にしかないダイナミンファミリーのタンパク質が太古のタンパク質 FtsZ と共同して分裂装置を形成するそうで、まさに１０億年の時空を越えたコラボレーションです（７）。

私達ヒトのミトコンドリアはもはや FtsZ を持っていませんが、原生動物・藻類・粘菌など古参の真核生物のミトコンドリアは FtsZ を使って分裂しているようです（８）。

クインとマーゴリンは、大腸菌の細胞分裂時における FtsZ の局在をＧＦＰラベルで示した美しい写真を、教育用に提供してくれているので図２に示しました。平常時にはラベルが分散しているのではっきりとはみえませんが、細胞分裂時には分裂溝に集結するのでよく見えます（明るく光っています）。

図３は β－チューブリンと FtsZ の分子構造を比較したものですが（１０）、素人目にもかなり似ている部分（サークル内）があるように思いました。

このようにしてチューブリンのホモログはみつかりました。ではアクチンに類似した細菌タンパク質もあるのでしょうか？　このことが判明したのは２１世紀になってからでした。

MreB というアクチンスーパーファミリーに属するタンパク質が細菌に存在することを発見したのはフシニータ・ファン・デン・エントらでした（１１）。アラインメントの結果、MreB は真核生物のアクチンとはわずか１５％の一致でしたが、重合してケーブルを形成することや、細胞の形態を維持するために必須であること、３次元構造がよく似ていること（１２、図４）などから、ホモログであると考えられています。MreB を欠損すると、大腸菌は棒状（ロッド状）の形態を失って球形の大きな細胞になり、娘細胞への染色体の分配がうまくできなくなって致命的となります（１３）。

MreB は細胞膜直下でコイル状やリング状に重合したケーブルとなって、細菌のロッド状構造を維持することができます（１４、図５）。これはシュラフからテントへの昇格に例えられるでしょう。細胞分裂の際には真核生物の紡錘糸のような役割も果たしているようです（１５）。しかしそれではチューブリンとアクチンの役割が細菌と真核生物で入れ替わったということになり、奇怪なミステリーです。ただチューブリン系は重合にGTPのエネルギーを、アクチン系はATPのエネルギーを使うという方式は十億年以上の時を越えてほぼ維持されているようです。

MreB そのものは膜結合タンパク質または膜に埋め込まれるタンパク質ではないため、細胞膜直下に局在するためには他のタンパク質がアシストしてあげなければなりません。ファン・デン・エントらは図６のようなモデルを提出しています（１６）。このモデルではRod Z というタンパク質が MreB と膜貫通タンパク質の両者と結合して、クランプの役割をはたしていることになります。

細菌のアクチンホモログの研究は２１世紀になってからはじまったので、まだまだ解決しなければいけない課題は多いと思います。ただこの種の研究はいまやカルトな趣味の世界にはいりつつあり、そのような世界で生きようとする人々にはある意味困難、ある意味好ましい状況です。それでもこれは生身の生物についての科学ですから、どんなところに人類に有用な知識が潜んでいるかわかりません。

細菌のアクチンホモログはMreBだけではなく、同じオペロンに含まれる MreC、MreDなどのほか、ParM というグループもみつかっています（１２、図４、図７）。ParM の役割としては、細胞分裂の際に図７のようにプラスミドDNAを細胞の両端に押し分け、片方の娘細胞に偏ってプラスミドが分配されないようにすることがわかっています（図７、参照１０、１２）。

図７の右側はParM がプラスミドＤＮＡに結合したＰａｒＲと結合していることを示しています。さらにフリーのＰａｒＭは、ＡＴＰのエネルギーを使ってＰａｒＭ線維にＤＮＡ側から結合し、線維を伸長させることを示唆しています。

ガスパール・ジェケリーはその総説の中で、原核生物のタンパク質ネットワークは、１）プラスミドのパーティショニング（ParMの語源）、２）細胞分裂のための装置、３）細胞膜の合成と細胞の骨組み　のために発達してきたと述べています（１６）。

古細菌の細胞骨格研究はあまり進んでいないようですが、クレナクチンという真核生物のアクチンとよく似たアクチンホモログがみつかっています（１８、１９）。アクチンホモログの分子進化はおおまかには図８のようになっています。FtsA は分裂溝に出現するタンパク質です。

最後にケラチン系のタンパク質についてみてみましょう。このグループのタンパク質がつくるケーブルは中間径線維と呼ばれています。真核生物の場合、アクチンがつくるケーブルはマイクロフィラメントと呼ばれており、径は５～９ｎｍ。チューブリンがつくるケーブルは微小管と呼ばれていて、径は約２５ｎｍ。中間径繊維のケーブルの径は８～１２ｎｍで、マイクロフィラメントと微小管の中間的なサイズなのでそう呼ばれているわけです。

真核生物の中間径繊維をつくるタンパク質は多様で、ケラチン・ビメンチン・ニューロフィラメント・核ラミンなどがあります。細菌にもこのグループのタンパク質はみつかっていて、それはクレセンチンです（２０、２１）。細胞がロッド状でなくジェリービーンズのような格好をした菌、あるいはヘビのようにくねくねした形態の菌に、図９のように片側に偏った感じで配置されています。クレセンチンがあるサイドはテンションがかかっていて縮み、逆サイドは延びるということになります。両サイドが交互に重合と解離を繰り返せば泳げるかもしれません。

クレセンチンはウィキペディアによると、ケラチン１９のアミノ酸配列を比較すると２５％が一致し40% の領域で相同性が認められるそうです。核ラミンと比較しても同様なホモロジーがあるそうで、ケラチン系タンパク質の祖先であることは間違いないと思われます。

脂質二重層でＤＮＡを被えば、それは生物としての出発点といえるでしょうが、脂質だけの細胞膜は脆弱すぎるという問題があります。ですから細胞膜を多糖類やタンパク質で裏打ちしたり、その工事のために足場をつくったりするために細胞骨格が必要であったとは容易に想像できます。しかしジェケリーが言うように（１７）、とりわけプラスミドＤＮＡをうまく娘細胞に分離するために必要だったという考え方にもうなづけるものがあります。例えば図８の分子系統図をみるとＭｒｅＢやＦｔｓＡより、ＰａｒＭファミリーの方が古いタンパク質とされています。

参照

１）Erfei Bi and Joe Lutkenhaus, FtsZ ring structure associated with division in Escherichia coli., Nature vol.354, pp.161-163 (1991)
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/1944597
https://www.researchgate.net/publication/21210591_FtsZ_ring_structure_associated_with_division_in_Escherichia_coli

２）de Boer P., Crossley R., Rothfield L., The essential bacterial cell division protein FtsZ is a GTPase., Nature vol. 359, pp. 254-256 (1992)
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/1528268

３）RayChandhuri D., Park J. T., Escherichia coli cell-division gene ftsZ encodes a novel GTP-binding protein. Nature vol. 359, pp. 251-254 (1992)
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/1528267

４）http://tdl.libra.titech.ac.jp/hkshi/xc/contents/pdf/117098745/12

５）https://ja.wikipedia.org/wiki/FtsZ

６）Ramanujam Srinivasan et al., The bacterial cell division protein FtsZ assembles into cytoplasmic rings in fission yeast. Genes and Development vol. 22, pp.1741-1746 (2008)
http://genesdev.cshlp.org/content/22/13/1741.full

７）宮城島進也、葉緑体の分裂制御機構とその進化　植物科学最前線　vol. 5, pp. 21-36 (2014)

８）Kiefel BR1, Gilson PR, Beech PL., Diverse eukaryotes have retained mitochondrial homologues of the bacterial division protein FtsZ., Protist.  vol. 155 (1), pp. 105-115. (2004)
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15144062

９）Qin Sun and William Margolin, FtsZ Dynamics during the Division Cycle of Live Escherichia coli Cells.,  J Bacteriol., vol. 180 (8):  pp. 2050–2056. (1998)

１０）Yu-Ling Shih and Lawrence Rothfield, The bacterial cytoskeleton., Microbiol Molec Biol Reviews pp. 729-754 (2006)
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1594594/figure/f1/

１１）Fusinita van den Ent, Linda A. Amos & Jan Lowe, Prokaryotic origin of the actin cytoskeleton. Nature vol. 413, pp. 39-44 (2001)
http://www.ibt.unam.mx/computo/pdfs/cursosviejos/bcelular/procaryoticoriginofactin.pdf

１２）Joshua W. Shaevitz　and Zemer Gitai, The Structure and Function of Bacterial Actin Homologs, Cold Spring Harb Perspect Biol, 2:a000364 (2010)
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20630996

１３）Kruse T, and Gerdes K., Bacterial DNA segregation by the actin-like MreB protein. Trends Cell Biol. vo. 15(7), pp. 343-345. (2005)

１４）Figge RM, Divakaruni AV, Gober JW., MreB, the cell shape-determining bacterial actin homologue, co-ordinates cell wall morphogenesis in Caulobacter crescentus. Mol Microbiol. Vol. 51(5), pp. 1321-32. (2004)
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/14982627

１５）生物史から、自然の摂理を読み解く　
http://www.seibutsushi.net/blog/2008/09/566.html

１６）Fusinita van den Ent,　Christopher M Johnson, Logan Persons,　Piet de Boer, and Jan  Löwe, Bacterial actin MreB assembles in complex
with cell shape protein RodZ., EMBO J., Vol. 29(6), pp. 1081–1090 (2010)
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2845281/

１７）Gaspar Jekely, Origin and evolution of the self-organizing cytoskeleton in the network of eukaryotic organelles. Cold Spring Harb Perspect Biol, 6:a016030 (2014)

１８）Thierry Izoré, Danguole Kureisaite-Ciziene,　Stephen H McLaughlin,　 Jan Löwe,  Crenactin forms actin-like double helical filaments regulated by arcadin-2, eLife Vol.5:e21600 (2016)
https://elifesciences.org/content/5/e21600

１９）Tatjana Brauna et al., Archaeal actin from a hyperthermophile forms a single-stranded filament.,Proc NAS USA vol.112, pp. 9340-9345 (2015)
http://www.pnas.org/content/112/30/9340.full

２０）Nora Ausmees, Jeffrey R Kuhn, Christine Jacobs-Wagner, The Bacterial Cytoskeleton. An Intermediate Filament-Like Function in Cell Shape. Cell,Vol.115, Issue 6, pp. 705–713, 12 December (2003)
http://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(03)00935-8?_returnURL=http%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS0092867403009358%3Fshowall%3Dtrue

２１）Ausmees N, Intermediate filament-like cytoskeleton of Caulobacter crescentus. J Mol Microbiol Biotechnol. 2006;11(3-5):152-8.

生物学茶話＠渋めのダージリンはいかが７３： 細胞膜

生命の起源をたどっていけば様々な触媒物質上での生化学的化学反応にたどりつくのでしょうが、これが生物であると言うためには外界との仕切りが必要であり、それは細胞膜以外にありません。生命にとって最も基本的なツールである細胞膜ですが、意外なことにその基本的な構造がわかってきたのは２０世紀終盤でした。

現在では細胞膜は脂質二重層からなることは明らかとなっていますが（図１）、最初に脂質二重層仮説を提出したのはゴーターとグレンデルです。１９２５年のことでした。彼らは赤血球から脂質を抽出し、それが水面を完全に覆ったときの面積を赤血球の表面積で割るとほぼ２という値が得られたことから、赤血球の細胞膜は脂質二重層で構成されていると考えました（１）。

その後 Davson-Danielli のモデル、すなわちタンパク質が脂質二重層でサンドイッチされているというような考え方もありましたが（２）、結局シンガーとニコルソンが１９７２年に提出した流動体モザイクモデル＝脂質二重層モデル（３）が、その後多くの検証を得て現在では基本的に正しいと考えられています（４）。

デジタル大辞泉では「（生体膜は）リン脂質分子の二重層からなり、親水性の部分を外側に向け、疎水性部分を内側に挟み込むように向い合い、たんぱく質分子がその表面や内部もしくは上下に貫通するようにモザイク状に入り混じっており、脂質・たんぱく質ともに流動性をもつ」と説明されています。模式図で示すと図１のようになり、電子顕微鏡でも二重層を見ることができます。

ニコルソンはこのモデルが認められたことで有名になりましたが、もうひとつ彼を有名にした事件があります。余談となりますが、このことに触れないわけにはいきません。ニコルソンは Ph D であり、経歴を見ると医学を学んだ形跡はありませんが、次第に医学に傾斜し、湾岸戦争症候群の原因解明に主導的な役割を果たしました。

彼とナンシー夫人は、湾岸戦争症候群の主要な原因が、遺伝子改変が行われ生物兵器として用いられたマイコプラズマであることを、妨害を乗り越えてつきとめ多くの患者を救いました（５－９）。しかしそのために盗聴やさまざまな生活妨害を受け、そのうち研究を停止させられるという目に遭いました。結局カリフォルニアに自分で分子医学研究所を設立して、そこで研究を続けることになりました。

生物兵器をいったん世の中に出してしまうと、それを完全に回収することはできません。したがっていつパンデミックが発生してもおかしくない事態になります。慢性疲労症候群などの原因がマイコプラズマである可能性は高く（１０）、これが生物兵器由来である可能性は否定できないと思います。また生物兵器を使用するには、テスト=人体実験をしなければならないので、政府にとっては調査・研究が行われることは甚だまずい事態となります。ニコルソン夫妻は有名人だったので消されずにすんだのだと思います。

さてこれまでにも述べてきましたが、細胞膜を構成する脂質は主にフォスファチジルセリン、フォスファチジルエタノールアミン、フォスファチジルコリン、スフィンゴミエリン、グリコシルセレブロシドの５種類です（図３）。

すべて親水性の頭部と疎水性の尾部という構造になっており、同じ方向を向いた層と、逆向きの層とが合体して脂質二重層を形成しています（図１）。脂質の比率は生物種・細胞によって異なり、たとえば大腸菌ではほとんどがフォスファチジルエタノールアミンであり、ヒト赤血球ではフォスファチジルセリン・フォスファチジルエタノールアミン・フォスファチジルコリン・スフィンゴミエリンの４種がバランス良く配合されています（１１）。脳神経系ではグリコセレブロシドの比率が高まるでしょう。

シンガーとニコルソンの流動体モザイクモデルは細胞膜一般についてのモデルですが、細胞膜はどこでも均一ではなく、マイクロドメインが存在するということは電子顕微鏡を用いた観察から、１９５０年代にはすでに話題となっていたそうです（１２）。しかしそれが脂質ラフトという名で、機能的にも重要であることが認識されてきたのは２０世紀末のことです（１３）。ラフトというのはいかだを意味し、細胞膜という湖にいかだが浮かんでいるということなのでしょう。この「いかだ」は通常の脂質以外にコレステロールとタンパク質が多く含まれていることがわかっています（１４）。

図４にウィキペディアに出ていた脂質ラフトのイラストを転載します。ラフトには膜貫通タンパク質やグリコフォスファチジルイノシトールという柄のついた傘のようなタンパク質、さらに糖タンパク質、糖脂質、コレステロールなどが集結しています。通常の部分が細胞を外界と仕切る壁とすれば、ラフトは細胞膜の特別な機能を果たす場所と言えます。コレステロールはこの特殊な場所が他の場所と混じり合わないよう、ラフト領域の流動性を低下させていると考えられます（１５）。



膜貫通タンパク質は次の４つのグループに分けられます。

１．１回貫通タンパク質
２．イオンチャネル
３．７回貫通タンパク質（Ｇタンパク質共役受容体）
４．その他

まず１回貫通タンパク質ですが、多くはチロシンキナーゼ活性またはセリン/スレオニンキナーゼ活性をもつ酵素です。細胞外からシグナル因子がくると、それの受容体となって結合し、構造変化を起こしてチロシンキナーゼ活性を発動させ、細胞内の因子をリン酸化してなんらかの効果を得るという機能を持つタンパク質です。インスリン受容体、上皮成長因子（EGF）受容体、神経成長因子（NGF）受容体、血管内皮細胞増殖因子（VEGF）受容体、インスリン様増殖因子（IGF）受容体、繊維芽細胞増殖因子（FGF）受容体、肝細胞増殖因子（HGF）受容体、血小板由来成長因子（PDGF）受容体、各種サイトカイン受容体、各種細胞接着因子受容体など多くのタンパク質がこのグループに所属します（１６）。

代表例としてインスリン受容体を図５に示しました。ちなみにインスリンがどのようにインスリン受容体と結合するかが解明されたのはごく最近のことです（１７）。図をみると一見２回貫通しているように見えますが、細胞外でダイマーを形成しているわけで、それぞれの酵素は１回貫通です。ただしダイマーのうち片方にしかインスリンは結合しません。インスリン結合によって受容体は活性化され、細胞内のチロシンキナーゼ活性によってＩＲＳ－１という因子がリン酸化され、さまざまな反応が連鎖しておこります。この結果グルコースが細胞にとりこまれ血糖値は低下します（図５）。

次にイオンチャネルですが、細胞には適切なイオン濃度があって適宜調節が必要です。もちろん最適なイオン濃度はイオンによって異なりますし、細胞によっても異なります。ロデリック・マッキノンら（図６）は放線菌のカリウムチャンネルタンパク質を結晶化して構造解析することに成功しました（１８）。

カリウムチャネルは１回膜貫通タンパク質であり、中心に穴が開いていてイオンが通過できる構造になっています（図７）。

ただし図８左図のようにイオンを選別するフィルター様の構造があり、ここのドメインにうまく結合しないとチャネルを通過できないようになっているため、各イオンチャネルは特定のイオンだけを選別して通す機能を持っています。イオンチャネルはミトコンドリアのプロトンポンプのようにエネルギーを消費してイオンをくみ出したりはせず、単に濃度勾配で移動させるだけですが、開閉によってイオン濃度を調節することができます。開閉のシグナルには、膜電位・リガンド・機械刺激・温度・リン酸化などさまざまです（１９）。

水を選択的に透過させるチャンネルもみつかっています。解明したのはピーター・アグレらで（図６、参照２０）、アクアポリン（水チャンネル）と呼ばれるこのタンパク質は６回膜貫通タンパク質であり、イオンチャネルとは全く素性の異なる物質です。前記の膜貫通タンパク質の分類では４．その他になるタンパク質で、Ｎ末とＣ末の両者が細胞内にあります。水チャネル＝アクアポリンには多数の種類があり、水以外の物質を通過させるものもあるようです（２１）。

マッキノンとアグレは２００３年のノーベル化学賞を受賞しました。マッキノンは医学への道を棄てて基礎科学に転じた人ですが、東洋系の奥さんが支えてくれたおかげでポストドク時代の困難な生活を乗り切ることができたそうです（２２）。基礎科学では飯が食えないので医師に転じたという知人・友人は多いですが、逆のケースはほとんど知りません。フランソワ・ジャコブが戦傷で医師への道を断念して基礎科学に転じたというのは有名な話ですが。一方アグレはしばしばキューバに渡航して、学会や講義活動を行ったばかりでなく、フィデル・カストロ首相と会ったりして外交的活動にも関心があったようです。また北朝鮮にも渡航して学術交流を行うなど、学問を通した国際交流にも熱心で、一時は上院議員を志したこともあるそうです。

ここでは最後に７回膜貫通タンパク質について述べておきます。その構造を二次元的に展開したのが図９ですが、細胞膜を７回貫通し、細胞外にＮ末端、細胞内にＣ末端があります。７回膜貫通タンパク質はすべてＧタンパク質共役受容体です。すなわちＧタンパク質がループを形成している細胞内の青色などの部分に結合すると、Ｇタンパク質は結合していたＧＤＰをリリースしＧＴＰと結合します。同時に、Ｇタンパク質はサブユニットＧαとＧβγに分離し、それぞれの機能を発揮します。その後ＧαはＧＴＰを加水分解し、そのエネルギーを用いてＧβγと再結合します。

７回膜貫通タンパク質は外界からの情報を受け取る＝細胞外にある受容体にリガンドが結合すると、細胞内部分がＧタンパク質と結合し、その結果Ｇタンパク質が活性化されて、生化学反応のカスケードが起動されるという機能を持っています。このタンパク質については、この後もしばしば登場すると思います。

７回膜貫通タンパク質＝Ｇタンパク質共役受容体はメジャーなホルモンなどの受容体なので、市販の薬の約６０％がこのグループをターゲットとしていると言われています。主なものを図１０に示しました。ほぼ同じ長さの７本のαヘリックスが円筒状の構造を形成しているタンパク質であることがわかります。このほかにも嗅覚受容体・光受容体など非常に生理的に重要な物質も含まれています。

Ｇタンパク質共役受容体（ＧＰＣＲ＝G protein-coupled receptor）の研究で、ブライアン・コビルカとロバート・レフコウィッツの２名が２０１２年のノーベル化学賞を共同で受賞しています（図１１）。

細胞膜を職場としているタンパク質には、膜貫通タンパク質以外に、特殊なアンカー（ＧＰＩアンカー、ＧＰＩ：Glycosylphosphatidylinositol ）で膜とつながり、膜の外に突き出た状態で機能するものがあります（図４、図１２）。ＧＰＩアンカーの構造は図１２のようなもので、タンパク質－フォスフォエタノールアミン－３マンノース＆Ｎアセチルグルコサミン－フォスファチジルイノシトール－２脂肪酸という順につながっています。最後の脂肪酸が細胞膜に埋め込まれている部分です。ＧＰＩアンカー型タンパク質は原生生物・酵母・カビ・粘菌・植物・無脊椎動物を含む真核生物全域でみつかっています（２３）。

細胞膜の外側で酵素を働かせようとした場合にＧＰＩアンカーが使われるようです。リストを図１３に示しますが、酵素の他、細胞接着、補体の制御、神経系のレセプターなどの機能があるようです。ＦＧＦの活性を制御していると言われるグリピカンファミリーもこのグループに属します（２４）。Ｇタンパク質共役受容体のグループに比べると地味な感じですが、薬剤のターゲットとして注目されているようです。

参照

１） E. Gorter and F. Grendel, On bimolecular layers of lipoids on the chromocytes of the blood., J Exp Med. vol. 41(4): pp. 439-443. (1925)
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2130960/pdf/439.pdf

２）J. Danielli and H. Davson, A contribution to the theory of permeability of the films.,  J.Cellul.Physiol. vol. 5, Issue 4, pp. 495-508 (1935)

３）S. J. Singer, and Garth L. Nicolson, The Fluid Mosaic Model of the Structure of Cell Membranes., Science. vol.175 (no.4023): pp.720-723 (1972)
http://www.jstor.org/stable/1733071?origin=JSTOR-pdf&seq=1#page_scan_tab_contents

４）Garth L. Nicolson, The Fluid—Mosaic Model of Membrane Structure: Still relevant to understanding the structure, function and dynamics of biological membranes after more than 40 years. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Biomembranes, Vol. 1838, Issue 6,  pp. 1451–1466 (2014)
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0005273613003933

５）Garth L. Nicolson, Ph.D. and Nancy L. Nicolson, Ph.D.　Chronic Fatigue Illnesses Associatedwith Service in Operation Desert Storm. Were Biological Weapons Used Against our Forcesin the Gulf War?　　TOWNSEND LETTER FOR DOCTORS 1996; 156:42-48.
http://www.immed.org/GWI%20Research%20docs/06.26.12.updates.pdfs.gwi/TownsendLettGWI1996.pdf

６）湾岸戦争症候群に罹患した復員軍人の「家族」の血液から生物兵器？を続々検出
http://www.asyura2.com/0311/war41/msg/282.html

７）白血球から検出のマイコプラズマにエイズウイルスの被膜遺伝子配列：生物兵器の証拠文献
http://www.asyura2.com/0311/war41/msg/582.html

８）米軍病理学研究所へようこそ！：これが米国のばら撒いた「免疫不全」マイコ生物兵器：全訳付き
http://www.asyura2.com/0311/war41/msg/707.html
http://www.asyura2.com/09/revival3/msg/141.html

９）ニコルソン博士夫妻に驚くべき妨害
http://satehate.exblog.jp/11649060/

１０）Endresen, G.K., Mycoplasma blood infection in chronic fatigue and fibromyalgia syndromes., Rheumatol Int. vo. 23(5), pp. 211-215. Epub 2003 Jul 16.
http://link.springer.com/article/10.1007%2Fs00296-003-0355-7

１１）京都大学大学院　梅田研究室
http://www.sbchem.kyoto-u.ac.jp/umeda-lab/research/hikaku.html

１２）https://ja.wikipedia.org/wiki/%E8%84%82%E8%B3%AA%E3%83%A9%E3%83%95%E3%83%88

１３）Kai Simons & Elina Ikonen, Functional rafts in cell membranes., Nature vol. 387, pp. 569-572 (1997) | doi:10.1038/42408

１４）Richard M. Epand, Proteins and cholesterol-rich domains., Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Biomembranes, Vol. 1778, pp. 1576-1582 (2008)
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S000527360800120X

１５）慶應義塾大学環境情報学部・基礎分子生物学3　「膜の構造と機能」
http://chianti.ucsd.edu/~rsaito/ENTRY1/WEB_RS3/PDF/JPN/Texts/biobasic3-2-7.pdf#search=%27%E3%82%B3%E3%83%AC%E3%82%B9%E3%83%86%E3%83%AD%E3%83%BC%E3%83%AB++%E8%86%9C%E6%B5%81%E5%8B%95%E6%80%A7%E3%81%AE%E4%BD%8E%E4%B8%8B%27

１６）薬のすべてがわかる！薬学まとめ
http://kusuri-yakugaku.com/pharmaceutical-field/pharmacolory/receptor/membrane-receptor/1tm-receptor/

１７）John G. Menting et al., How insulin engages its primary binding site on the insulin receptor., Nature  vol. 493, pp. 241–245 (2013) doi:10.1038/nature11781

１８）Doyle DA, Morais Cabral J, Pfuetzner RA, Kuo A, Gulbis JM, Cohen SL, Chait BT, MacKinnon R.,  The structure of the potassium channel: molecular basis of K+ conduction and selectivity.,  Science vol. 280 (5360): pp. 69–77. (1998)  doi:10.1126/science.280.5360.69. PMID 9525859

１９）https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%A4%E3%82%AA%E3%83%B3%E3%83%81%E3%83%A3%E3%83%8D%E3%83%AB

２０）Peter Agre et al., Aquaporin CHIP: the archetypal molecular water channel., American Journal of Physiology - Renal Physiology  Vol. 265  no.  4,   F463-F476  (1993)

２１）https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%A2%E3%82%AF%E3%82%A2%E3%83%9D%E3%83%AA%E3%83%B3

２２）https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2003/mackinnon-bio.html

２３）Varki A, Cummings RD, Esko JD, et al., editors.　Essentials of Glycobiology. 2nd edition.　Cold Spring Harbor Laboratory Press　(2009).

２４）http://www.glycoforum.gr.jp/science/word/proteoglycan/PGA02J.html

生物学茶話＠渋めのダージリンはいかが７２： 呼吸

ハンス・クレブスらの研究によって、クエン酸回路の全貌が明らかとなり、ブドウ糖が体内でどのように代謝されるかが解明されました（図１）。しかし図１にＡＴＰという文字はどこにも書かれていません。酸素もどこにも現れません。クエン酸回路は呼吸の要（かなめ）なのにどうなっているのでしょうか？

まずクエン酸回路に投入される物質（インプット）と、クエン酸回路で精製される物質（アウトプット）を図２にまとめてみました。科学者に課せられた課題は、このアウトプットがどのようにＡＴＰ生成や酸素の消費にかかわっているかということでした。

クエン酸回路の反応が行われている場所がミトコンドリアであることは、当時から推測されていたわけですが、その反応系を試験管の中に取り出すことは誰にもできませんでした。そのためにはまず細胞を壊して、反応系が無傷で保存されているミトコンドリアを取り出さなければいけません。つまり細胞は壊れているけれど、ミトコンドリアは壊れていないという状態です。これに成功したのがアルベール・クロード（図３）でした。

クロードはベルギー人で、子供の頃に母親を亡くして叔母の手で貧困の中で育ちましたが、第一次世界大戦がはじまったときにチャーチルにあこがれて英国のスパイ組織に従事し、戦後連合国のメダルと退役軍人のステータスを獲得することができて、進学の機会を与えられました。彼は高校に行ってなかったので、リエ－ジュ大学医学部に入学する前に鉱山学校で勉強することが必要でしたが、そこで鉱石を遠心分離機で分離する技術を知ることができました。何が幸いするかわかりません。彼はこれを細胞にも応用して、ミトコンドリアを遠心分離機を使って無傷で取り出すことに成功したのです。この技術は細胞分画法とよばれるもので、後の生化学の発展に大きく寄与しました（１）。

ミトコンドリアはサイズが小さすぎて光学顕微鏡ではうまく観察できないので、構造を解明するためには電子顕微鏡を用いた研究が必要でした。クロードはルーマニア人のジョージ・パラディー（図３）を誘って電子顕微鏡を生物試料に適用する研究を進めてもらいました。二人は後年（１９７４年）ノーベル医学生理学賞を受賞しました。

さてそのミトコンドリアですが、もともとは細菌だったと考えられているわけです。真核生物にとりこまれ、紆余曲折を経て現在のようにオルガネラとして細胞の中で生きています。ミトコンドリアの最もシンプルな構造図を図４に記します。外膜は真核生物由来らしく、細菌から引き継いだ特異な機構は内膜に集中しています。ウィキペディアによるとミトコンドリアの重量は人間の体重の１０％を占めるそうで、私達はまさしく真核生物と細菌の合作であることを思い起こさせます。

ミトコンドリアは真核生物に取り込まれる前から、クエン酸回路で生成したＮＡＤＨやＦＡＤＨ２、および取り込んだ酸素を使ってＨ＋（プロトン）を膜間腔に追い出し、マトリックスと膜間腔の間に形成されたＨ＋の濃度差による化学浸透圧を利用してＡＴＰを合成しています。このようなメカニズムに最初に気がついたのはピーター・ミッチェル（図５）でした。彼はその研究結果を１９６１年にＮａｔｕｒｅ誌に報告しました（２）。しかしその理論はあまりにも斬新なものだったので信じる人が少なく、職を得ることができなかったので、自宅をＧｌｙｎｎ研究所と名付けて自費で研究を続けるしかありませんでした（３、４）。

この困難な状況はエフレム・ラッカー、香川靖雄（図５）らによって、ミトコンドリアの内膜に埋め込まれたＡＴＰ合成酵素が発見されたことで改善され、ピーター・ミッチェルは１９７８年にノーベル化学賞を受賞しました。このあたりの事情は参照文献（３）に詳述されています。図４の膜内粒子とはＡＴＰ合成酵素でした。この酵素は複雑で巨大な構造をとっており、まだ正確な分子量は明らかになっておりません。

現在の理解では、図６に示されるように膜貫通システム複合体 Ｉ、ＩＩＩ、ＩＶ、およびそれを補佐するシステムＩＩによって、ＮＡＤＨ、ＦＡＤＨ２、酸素を使ってプロトン（Ｈ＋）をマトリックスから膜間腔に排出するポンプを駆動し、排出されたプロトンが化学浸透圧によってマトリックスに回帰する際に、そのエネルギーを利用してＡＴＰ合成酵素がＡＤＰからＡＴＰを合成するということになっています（５、６）。

複合体 Ｉ についてウィキペディアの受け売りをしますと、図７のように、「複合体 I では、解糖系およびクエン酸回路から得られた NADH から2つの電子が取り除かれ、脂質可溶キャリアであるユビキノンに移される。ユビキノンの還元生成物であるユビキノールは膜の内部を自由に拡散し、次の複合体 III に電子伝達を行なう。複合体 I はプロトンポンプ機構（プロトンが膜を通過する機構）およびキノンサイクル機構を用いて４つのプロトンを膜を通して移動させ、プロトン勾配を作る」　ということになっているそうです（７）。ユビキノンの還元について関心のある方は（８）をご覧下さい。複合体 I が行っていることの収支式は

NADH + ユビキノン(Q) + 5H+ in → NAD+ + ユビキノール(QH2) + 4H+out

ということになります。

プロトンの排出を行っている複合体は細菌とミトコンドリアではかなり異なっているようですが（７）、ＡＴＰ合成酵素は全生物共通で進化の痕跡がみられない（９）というのは驚異的です。

ＡＴＰ合成酵素の研究でポール・ボイヤーとジョン・ウォーカーが１９９７年にノーベル化学賞を受賞しましたが（図８、参照１０）、その影には木下一彦（～２０１５、図８）らの革命的な研究があったことは確かでしょう。ボイヤーらはＡＴＰ合成酵素がタービンのように回転するという仮説をたてていましたが、誰もそれを証明することができなかったのです。しかし木下らは酵素を標識することによって、顕微鏡下でその回転を可視化することに成功しました（１１）。これによってボイヤーは９８才という高齢でノーベル賞を受賞することができたと思われます。

木下らは当然ノーベル賞を受賞すべき成果を上げましたが、ボイヤーが高齢であることから迅速にということで、彼と結晶化して分子構造を解析したジョン・ウォーカーが、とってつけたような Na-K-ATPase のイェンス・スコウと共に授賞されました。論文発表の年に授賞というのはいくらなんでも無理だったのでこういうことになったのでしょう。

ＡＴＰ合成酵素は膜間腔につきだしているＦ１部位と、ミトコンドリア内膜に埋め込まれているＦｏ（エフオー）部位からなる巨大なタンパク質複合体です（図９）。プロトンの流れによってＦ１部位の γ サブユニットがタービンのように回転し（反時計回り）、ＡＴＰを合成するエネルギーを生み出していると考えられます（１２）。ＡＴＰ合成酵素によってマトリックスにとりこまれたプロトンは、すぐに酸素と結合して水になってしまうので、クエン酸回路とプロトンポンプが動いている限り、内膜の外と内でプロトンの濃度差がなくなる状態にはなりません。

以上のようにエムデン・マイヤーホフ系はミトコンドリア外の細胞質で、クエン酸回路はミトコンドリアマトリックスで、プロトンポンプとＡＴＰ合成酵素はミトコンドリア内膜で機能しています。

木下一彦先生は２０１５年の秋に、南アルプス小仙丈岳付近で滑落死するという不慮の死をとげられました（１３）。私もこのあたりは何度も歩いたことがありますが、夏山では何の問題もないハイキングコースのようなところでも、凍結していると危険なことをあらためて痛感しました。ご冥福をお祈りします。

参照

１）https://en.wikipedia.org/wiki/Albert_Claude

２）Peter Mitchell, Coupling of phosphorylation to electron and hydrogen transfer by a chemi-osmotic type of mechanism. Nature  vol. 4784, pp. 144 - 148 (1961)

３）香川靖雄　「ＡＴＰ合成酵素の発見から人体エネルギー学まで」　日本蛋白質科学会　シリーズ「わが国の蛋白質科学研究発展の歴史」第4回　pp. 23-32
http://www.pssj.jp/archives/files/ps_history/PS_History_04.pdf
（筆者註：この文献はいつ出版されたのか確認できませんでした。日本蛋白質科学会が設立されたのが２００１年なので、それ以降であることは確かです）

４）杉晴夫　「栄養学を拓いた巨人たち」　講談社ブルーバックス　（２０１３）

５）https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%9F%E3%83%88%E3%82%B3%E3%83%B3%E3%83%89%E3%83%AA%E3%82%A2

６）電子伝達系と酸化的リン酸化
http://kusuri-jouhou.com/creature1/dentatu.html

７）https://ja.wikipedia.org/wiki/%E9%9B%BB%E5%AD%90%E4%BC%9D%E9%81%94%E7%B3%BB

８）ユビキノンについて
http://hobab.fc2web.com/sub4-CoQ.htm

９）https://ja.wikipedia.org/wiki/ATP%E5%90%88%E6%88%90%E9%85%B5%E7%B4%A0

１０） The Nobel Prize in Chemistry 1997,
https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1997/

１１）Noji H1, Yasuda R, Yoshida M, Kinosita K Jr.,  Direct observation of the rotation of F1-ATPase.,  Nature, vol. 386(6622): pp. 299-302. (1997)

１２）野地博行　安田涼平　木下一彦　「回る酵素の観察」　バイオサイエンスとインダストリー　vol. 56, no.10, pp. 665-670 (1998)
http://www.k2.phys.waseda.ac.jp/PDF/1998BioSI_Noji_RotEnz.pdf

１３）明滅する一筋の光が我々にみせたもの　～木下一彦さんの追悼に代えて～
http://slight-bright.hatenablog.com/entry/2016/01/28/225438