Short Review
ノックアウト
マウスが明らかにする糖鎖の機能
シアル酸転移酵素遺伝子ノ ックアウ トマウスの解析 か ら
高島 晶 ・辻本雅文 ・辻 崇一
ポス トゲノム研究の重要 課題のひとつと して,糖 鎖 の機 能解 析があげ られる.現 在,糖 鎖遺伝 子 の網 羅的ク ローニ ングおよびノ ックアウ トマウスの作製など によって,さ まざまな糖 鎖の機 能解析 が進 め られて いる.こ のうち糖鎖末端 に酸性糖の シアル酸を有す るシアロ糖 鎖 は,糖 鎖 を介 した細 胞認識や細胞接着 などの分 子間相互作用 の場 において,と くに重要な役割 を果た し ている と考 え られる.本 稿で は各種糖鎖遺伝子,と くに シア ロ糖鎖の 合成にかかわる シアル酸 転移酵素遺伝子 のノ ックアウ トマウス解析によって明 らか にされた糖鎖機能 について解説する. 糖鎖 ノ ックア ウ トマ ウス シアル酸転移酵 素 は じめ に 糖 鎖 は グ ル コ ー ス(Glc),ガ ラ ク トー ス(Gal),N-ア セ チ ル グ ル コサ ミ ン(GlcNAc),N-ア セ チ ル ガ ラ ク トサ ミ ン(GalNAc)な ど の 単 糖 が 結 合 して で き た 鎖 状 の 分 子 で あ る.糖 鎖 の 合 成 に か か わ る酵 素 が 糖 転 移 酵 素 で あ り,こ れ らの 酵 素 が基 質 とす る糖 の種 類 や 結 合 様 式 の違 い の 組 合 せ に よ っ て,生 体 内 で は多 種 多 様 な糖 鎖 が 生 み 出 さ れ て い る.糖 鎖 は オ リ ゴ糖 の よ うな 状 態 で 単 独 で存 在 す る こ と もあ れ ば,セ ラ ミ ド(Cer),ジ グ リ セ リ ドな どの 脂 質 と結 合 して糖 脂 質 糖 鎖 と して存 在 した り,蛋 白 質 と結 合 して糖 蛋 白質 糖 鎖 と して も存 在 す る.こ う い っ た糖 鎖 が 生 体 内 で ど の よ う な役 割 を果 た して い るの か を 明 らか にす る こ と は,ポ ス トゲ ノ ム 研 究 の 重 要 課 題 の ひ とつ にあ げ られ て い る. ゲ ノム プ ロ ジ ェ ク トの成 果 に よ り,ヒ ト遺伝 子 の 総 数 は約3万 と考 え られ て い る が,そ の1%に あ た る約300 の遺 伝 子 が 糖 鎖 の合 成 や 修 飾 に 関与 して い る と見積 も ら れ て い る1).現 在,こ れ ら の糖 鎖 遺 伝 子 の 網 羅 的 ク ロー ニ ング が 進 め られ て い るが,そ れ と と もに ノ ッ クア ウ ト マ ウ ス な ど を用 い た糖 鎖 遺 伝 子 の 機 能 解 析 に よ っ て,さ ま ざ ま な糖 鎖 の 生 理 機 能 が 明 らか に な って きて い る.本 稿 で は各 種 糖 鎖 遺 伝 子,と くに シ ア ル 酸 転 移 酵 素 遺 伝 子 の ノ ック ア ウ トマ ウ ス 解 析 に よっ て 明 らか に され た糖 鎖 機 能 を概 説 し,今 後 の 展 望 に つ い て 考 え た い. Ⅰ.糖鎖遺 伝 子 ノ ック ア ウ トマ ウス の現 状 糖 鎖 機 能 の解 析 の た め に,現 在 ま で に 約50に の ぼ る 糖 鎖 遺 伝 子 の ノ ッ ク ア ウ トマ ウ ス が 作 製 さ れ て い る1). この う ち,約3割 の ノ ッ ク ア ウ トマ ウ ス は胎 生 期 ま た は 出 産 後 す ぐに 死 亡 して お り,約4割 で は何 らか の 障 害 が 発 生 して い る(表1).残 りの約3割 は 現 在 解 析 中 か 特 徴 的 な 表 現 型 が 認 め られ な か っ た もの で あ る.ノ ッ ク ア ウ トマ ウス が 胎 生 期 ま た は 出 産 後 す ぐに 致 死 に な る糖 鎖 遺 伝 子 に は,糖 鎖 合 成 の初 期段 階 に働 くも の や,そ の 酵 素 活 性 が 他 の 酵 素 に よ っ て 代 替 で き な い も の が 含 ま れ る. ま た,こ れ らの ノ ッ ク ア ウ トマ ウ ス は 発 生 初 期 に お け る 胚 や 組 織 の 形 態 形 成 異 常 な どが お もな 原 因 で死 亡 して い る もの が 多 い.す な わ ち,糖 鎖 の なか に は個 体 発 生 にお い て 生 死 にか か わ る ほ ど重 要 な役 割 を 果 た して い る も の が あ る の で あ る. ま た,特 定 の糖 鎖 遺 伝 子 を欠 失 して も生 存 して い る ノ ッ ク ア ウ トマ ウ ス の なか に は,死 に至 ら な い ま で も比 較 的 重 篤 な 症 状 が 現 わ れ る もの が あ る.一 方,糖 鎖 合 成 のShou Takashima, Masafumi Tsujimoto, 理化学研究所細胞生化学研究室 E-mail : staka@postman.riken.go.jp Shuichi Tsuji, お茶 の 水 女 子 大学 糖 鎖 科 学研 究 教 育 セ ン ター
Functional analysis of sialylglycoconjugates by sialyltransferase deficient mice
1723 蛋 白 質 核 酸 酵 素Vol.48No.12(2003)
表1糖 鎖遺 伝子 の ノ ックア ウ トマ ウス
GINAcT : N-acetylglucosaminyltransferase, EXTI : heparan sulfate GIcA/GIcNAc transferase, NDST : heparan sul-fate/heparin N-deacetylase/N-sulfotransferase, HS-20ST : heparan sulfate 2-sulfotransferase, POMGnTI : protein 0-mannose 3-1, 2-N-acetylglucosaminyltransferase, GaINAcT : N- acetylgalactosaminyltransferase, FUT : fucosyltrans-ferase, GST-3 : high endothelial cell N-acetylglucosamine 6-0-sulfotransferase, GaIT : galactosyltransferase, pp-Gal-NAc-T : polypeptide N- acetylgalactosaminyltransferase (文献1よ り改 変)
最 終 段 階 で 働 く こ とが 多 い遺 伝 子 や,類 似 酵 素 の 遺 伝 子 が 複 数存 在 す る た め,そ れ らに よっ て 遺 伝 子 欠 失 の 影 響 が 補 わ れ る よ う な 遺 伝 子 の ノ ック ア ウ トマ ウ ス で は,何 らか の 障 害 は あ る に して も一 見 正 常 に 成 育 して い る も の も少 な くな い よ うで あ る.し か し,遺 伝 子 欠 失 の 影 響 の 程 度 に差 は あ る に して も,こ れ らの ノ ッ ク ア ウ トマ ウ ス か ら,発 生,生 殖,免 疫 系,神 経 系,細 胞 接 着,細 胞 認 識 と い っ た さ ま ざ ま な 生 命 現 象 にお け る 各種 糖 鎖 の 多 様 な 生 理 機 能 が 遺 伝 子 レベ ル で 明 らか に な っ て き て い る. Ⅱ.シ アル 酸転 移酵 素 糖 鎖 の な か に は 非 還 元 末 端 に シ ア ル 酸(Sia)が 付 加 さ れ て い る も の が あ る.シ ア ル 酸 は ノ イ ラ ミ ン酸 のN-ア シ ル 誘 導 体 の 総 称 名 で あ り,分 子 内 に カ ル ボ キ シ基 を 有 す る 酸 性 糖 で,代 表 的 な もの にN-ア セ チ ル ノ イ ラ ミ ン 酸,N-グ リ コ リ ル ノ イ ラ ミ ン酸,デ ア ミ ノ ノ イ ラ ミ ン 酸 な どが 知 ら れ て い る.シ ア ル 酸含 有糖 鎖(シ ア ロ糖 鎖) は 糖 鎖 末 端 が 負 電 荷 を帯 び る こ とか ら,細 胞 接 着 や 細 胞 認 識 とい っ た 分 子 間相 互 作 用 の場 な ど にお い て と くに重 要 な役 割 を果 た して い る と考 え られ る.シ ア ル 酸 の 生 合 成 に 関 与 して い るUDP-GlcNAc2-エ ピ メ ラ ー ゼ 遺 伝 子 を ノ ッ ク ア ウ ト した マ ウ ス で は,シ ア ル 酸 が 欠 乏 し て 胎 生 期 に 致 死 に な る こ と2)か ら,シ ア ル 酸 が 高 等 生 物 の 生 命 維 持 に 必 須 で あ る こ と が う か が え る. シ ア ル 酸 転 移 酵 素 はCMP-Siaを ド ナ ー 基 質 と し て, ア ク セ プ タ ー と な る 糖 鎖 にSia残 基 を 転 移 す る 酵 素 で あ る.筆 者 ら は さ ま ざ ま な シ ア ロ 糖 鎖 の 生 理 機 能 を 明 ら か に す る た め,シ ア ル 酸 転 移 酵 素 に 関 す る 研 究 を 進 め て き た.ヒ トや マ ウ ス で は,現 在 ま で に20種 類 の シ ア ル 酸 転 移 酵 素 が 同 定 さ れ て い る(表2)3).こ れ ら は シ ア ル 酸 の 転 移 様 式 に よ り,ST3Gal(Sia残 基 を α2-3の 結 合 様 式 でGalに 転 移),ST6Gal(Sia残 基 を α2-6の 結 合 様 式 で Galに 転 移),ST6GalNAc(Sia残 基 を α2-6の 結 合 様 式 でGalNAcに 転 移),ST8Sia(Sia残 基 を α2-8の 結 合 様 式 でSiaに 転 移)の4つ の フ ァ ミ リ ー に 分 類 で き る. 現 時 点 で は,こ の う ち9種 類 の シ ア ル 酸 転 移 酵 素 遺 伝 子 に つ い て ノ ッ ク ア ウ トマ ウ ス 作 製 の 報 告 が あ る(表1). い ず れ の ノ ッ ク ア ウ トマ ウ ス に つ い て も,野 生 型 マ ウ ス と 比 較 し て,外 見 や 発 生 ・成 育 過 程 な ど に は 異 常 が 認 め ら れ て い な い も の が ほ と ん ど で あ る が,詳 細 な 解 析 に よ り,遺 伝 子 欠 失 の さ ま ざ ま な 影 響 が 見 い だ さ れ て い る.こ こ で は,シ ア ル 酸 転 移 酵 素 遺 伝 子 の ノ ッ ク ア ウ ト マ ウ ス に よ り明 ら か に な っ た シ ア ロ 糖 鎖 の 生 理 機 能 に つ 表2マ ウス シア ル酸 転移 酵素 a)よ い 基 質 に な る とい うこ とで,特 異 的 と い う意 味 で は な い.
1725 蛋 白質 核 酸 酵 素Vol.48No.12(2003) い て 解 説 す る. 1.免 疫系におけるシアロ糖鎖の機能 ST6GalⅠ は お も にN-結 合 型 糖 鎖 末 端 な ど に存 在 す る Galβ1-4GlcNAc構 造 のGal部 分 に α2-6の 結 合 様 式 で Sia残 基 を転 移 す る 酵 素 で あ る.本 遺 伝 子 の ノ ッ ク ア ウ トマ ウ ス で は,①B細 胞 表 面 の 免 疫 グ ロ ブ リ ンM(ⅠgM) とCD22の 発 現 レ ベ ル の 低 下,お よ びB細 胞 に よ っ て 産 生 さ れ る血 清 中 のIgMレ ベ ル の 低 下,②B細 胞 表 面 の ⅠgM,CD40を 架 橋 した り,リ ボ 多 糖 を加 え た りして 活 性 化 した と き,B細 胞 の 増 殖 レベ ル が 対 照 に比 べ 低 い,③B細 胞 にお い てIgMの 架橋 に よ っ て 惹 起 され る シ グ ナ ル 伝 達 で,一 部 の 蛋 白 質 の チ ロ シ ン リ ン酸 化 が 滅 少 す る,④T細 胞 依 存 性 お よ び 非 依 存 性 抗 体 応 答 に よ るB細 胞 の 抗 体 産 生 能 の 低 下,な どお も にB細 胞 の 機 能 に 障 害 が 発 生 し て い た4).B細 胞 表 面 のIgMやCD22 はSiaα2-6Galβ1-4GlcNAc構 造 を も つ 糖 蛋 白 質 で あ る が,ノ ック ア ウ トマ ウ ス で は こ の糖 鎖 構 造 が 欠 失 した た め に,B細 胞 表 面 の 抗 原-レ セ プ ター 複 合 体 形 成 が 不 安 定 に な り,B細 胞 機 能 の 低 下 を も た ら した のか も しれ な い.な お,こ こ十 数 年 の 問,ST6Galフ ァ ミ リー の 酵 素 はST6GalⅠ の み しか 知 られ て お らず,す べ て のSiaα2-6Galβ1-4GlcNAc構 造 は こ の 酵 素 が合 成 して い る と考 え て い た 研 究 者 も少 な く な か っ た.し か し,最 近 筆 者 ら は,ST6GalⅠ の 類 似 酵 素 で あ り,オ リ ゴ糖 を 基 質 と し て 好 むST6GalⅡ の 存 在 を 見 い だ した3).今 後 はST6Gal Ⅱ遺 伝 子 ノ ッ ク ア ウ トマ ウ ス の作 製 も含 め,両 遺 伝 子 の 生 体 内 に お け る役 割 分 担 を は っ き り させ る必 要 が あ る と 考 え て い る. 一 方 ,ST3GalⅠ は お も にO-結 合 型 糖 鎖 な どに 存 在 す るGalβ1-3GalNAc構 造 のGal部 分 に α2-3の 結 合 様 式 でSia残 基 を転 移 す る 酵 素 で あ る.本 遺 伝 子 の ノ ッ ク ア ウ トマ ウ ス で は,野 生 型 マ ウ ス に比 べ,末 梢 血 中,脾 臓 リ ンパ 節 内 の 末梢 性 ナ イ ー ブ お よび メ モ リ ーCD8+T細 胞 が 顕 著 に減 少 して お り,脾 臓 で はCD8+T細 胞 の アポ トー シ ス が優 位 に認 め ら れ た5).通 常,T細 胞 が 免 疫 刺 激 に よ り活 性 化 され る と,細 胞 表 面 の 糖 鎖 構 造 が 変 化 す る.そ して 免 疫 刺 激 が な くな る と,こ の 糖 鎖 構 造 を も っ たT細 胞 の 大 部 分 は ア ポ トー シ ス で 除 去 され る が,一 部 のT細 胞 は 細 胞 表 面 の 糖 鎖 構 造 に 再 び 変 化 を 起 こす と と も に,メ モ リ ーT細 胞 に 分 化 す る,本 遺 伝 子 の ノ ッ ク ア ウ トマ ウ ス で は,T細 胞 の 生 存 に 必 須 なO.結 合 型 シ ア ロ糖 鎖 の 合 成 が で き ない た め,常 に ア ポ トー シ ス に 陥 りや す くな って い る こ とが 判 明 した. と こ ろ で,胸 腺 に お け るT細 胞 の 分 化 過 程 で は,非 自 己 反 応 性 のT細 胞 の ほ か に,自 己 反 応 性 で あ る な ど 生 体 に と っ て有 害 なT細 胞 も生 じ る.そ こで 胸 腺 で は, まず 自己の主要組織 適合抗原 (major histocompatibility antigen ; MHC 抗 原)に 弱 い 反 応 性 を もつT細 胞 を 選 択 的 に増 や し(T細 胞 の 正 の 選 択),次 に 自己 と強 く反 応 す るT細 胞 を ア ポ トー シ ス で 除 去 す る(T細 胞 の 負 の 選 択).ST3GalⅠ 遺 伝 子 の ノ ッ ク ア ウ トマ ウ ス で は,T細 胞 上 に発 現 して い るCD8α βコ レ セ プ タ ー とMHCク ラ ス Ⅰ抗 原 との結 合 活 性 が 増 強 され て お り,胸 腺 選 択 の う ち,T細 胞 の 負 の 選 択 が 起 こ りや す くな っ て い た6).以 上 の こ とか ら,ST3GalⅠ が 合 成 す る糖 鎖 が,T細 胞 の 生存 や,T細 胞 レセ プ ター 依 存 的 な 胸 腺 選 択 に 影響 を与 え て い る こ とが 明 らか に な っ た. 2.血 液-血球系におけるシアロ糖 鎖の役割 ST3GalⅣ は お も に 糖 蛋 白 質 糖 鎖 な ど に 存 在 す るGal β1-4GlcNAc構 造 ま た はGalβ1-3GlcNAc構 造 のGal部 分 に α2-3の 結 合 様 式 でSia残 基 を 転 移 す る 酵 素 で あ る.本 遺 伝 子 の ノ ッ ク ア ウ トマ ウ ス で は,血 液 中 のvon Willebrand因 子(vWF:血 液 凝 固 因 子 の ひ と つ)と 血 小 板 が 減 少 し て お り,出 血 性 障 害 が 認 め ら れ た7).vWF が 減 少 し た の は,こ の 蛋 白 質 上 に あ る 糖 鎖 がST3GalⅣ に よ っ て シ ア ル 化 さ れ ず に ガ ラ ク トー ス が 露 出 し た 結 果,糖 鎖 末 端 の ガ ラ ク トー ス を 認 識 す る ア シ ア ロ ガ ラ ク トプ ロ テ イ ン レ セ プ タ ー を 介 し た 血 液 循 環 系 の ク リ ア ラ ン ス 機 構 に よ っ て 除 去 さ れ た た め と 考 え ら れ た.す な わ ち,vWFの よ う な 蛋 白 質 が 血 液 内 で 安 定 に 存 在 す る た め に は,ST3GalⅣ が 合 成 す る シ ア ロ 糖 鎖 が 重 要 な 役 割 を 果 た し て い る の で あ る.な お,vWFに は シ ア ル 酸 が α2-6結 合 し たSiaα2-6Galβ1-4GlcNAc構 造 を も つ 糖 鎖 も存 在 す る が,ST6GalⅠ 遺 伝 子 の ノ ッ ク ア ウ トマ ウ ス で は 血 液 中 のvWFの 減 少 は 観 察 さ れ て い な い.ST6Gal Ⅰ遺 伝 子 の 欠 失 で はvWF上 の 一 部 のGalβ1-4GlcNAc 構 造 が 露 出 す る だ け で あ る が,ST3GalⅣ 遺 伝 子 の 欠 失 で はGalβ1-4GlcNAc構 造 お よ びGalβ1-3GlcNAc構 造 が 露 出 し,よ り 高 密 度 の ガ ラ ク トー ス が ア シ ア ロ ガ ラ ク トプ ロ テ イ ン レ セ プ タ ー に 提 示 さ れ,認 識 さ れ や す く な っ て い る と 考 え ら れ る. と こ ろ で,特 定 の 糖 鎖 構 造 を 認 識 し,こ れ と 相 互 作 用
す る こ と に よ っ て 細 胞 接 着 活 性 を 発 揮 す る セ レ ク チ ン と よ ば れ る 蛋 白 質 が,白 血 球(L-セ レ ク チ ン),血 管 内 皮 細 胞(E− お よ びP-セ レ ク チ ン),血 小 板(P-セ レ ク チ ン) に 存 在 す る.L-セ レ ク チ ン が 結 合 す る 糖 鎖(セ レ ク チ ン リ ガ ン ド)は 血 管 内 皮 細 胞 に,房 お よ びP-セ レ ク チ ン が 結 合 す る 糖 鎖 は 白 血 球 上 に 存 在 す る.セ レ ク チ ン リ ガ ン ド の 実 体 は,シ ア リ ル ル イ スX[Siaα2-3Galβ1-4(Fuc α1-3)GlcNAc],シ ア リ ル ル イ スa[Siaα2-3Gall91-3 (Fucα1-4)GlcNAc],硫 酸 化 シ ア リ ル ル イ スXな ど の 構 造 を も つ 糖 鎖 で あ る.白 血 球 が 血 流 に の っ て 移 動 す る と き,セ レ ク チ ン と セ レ ク チ ン リ ガ ン ドの 相 互 作 用 に よ っ て 流 速 を お と し,血 管 内 皮 細 胞 上 を こ ろ こ ろ 転 が る 現 象 を ロ ー リ ン グ と よ ぶ.こ れ は 白 血 球 が 炎 症 部 に 移 動 す る た め 血 管 外 遊 走 す る と き の 最 初 の ス テ ッ プ で あ る.ST 3GalⅣ 遺 伝 子 の ノ ッ ク ア ウ トマ ウ ス で は,白 血 球 の 一 種 で あ る 好 中 球 が 発 現 す る セ レ ク チ ン リ ガ ン ド の セ レ ク チ ン に 対 す る 結 合 活 性 が 低 下 し て お り,こ れ を 介 し た ロ ー リ ン グ な ど の 接 着 反 応 に 障 害 が 認 め ら れ た8).こ の こ と か ら,ST3Ga1Ⅳ が セ レ ク チ ン リ ガ ン ド の 合 成 に 関 与 し て い る こ と が 判 明 し た.た だ し,こ の ノ ッ ク ア ウ トマ ウ ス の 好 中 球 を シ ア リ ダ ー ゼ で 処 理 し た と き,さ ら に セ レ ク チ ン リ ガ ン ドの 結 合 活 性 の 低 下 が 認 め ら れ た こ と か ら,ST3GalⅣ 以 外 の α-2,3-シ ア ル 酸 転 移 酵 素 も 好 中 球 に お け る セ レ ク チ ン リ ガ ン ド形 成 に 関 与 し て い る こ と が 示 唆 さ れ た.な お,フ コ ー ス 転 移 酵 素(FUT)遺 伝 子 ノ ッ ク ア ウ トマ ウ ス の な か に も,好 中 球 が 発 現 す る セ レ ク チ ン リ ガ ン ドに 異 常 が 認 め ら れ て い る も の が あ り(表 1),シ ア ル 酸 や フ コ ー ス が 細 胞 接 着 に お い て 重 要 な 役 割 を 果 た し て い る こ と が う か が え る. 3.シ ア ロ糖鎖 に よる レセプ ター機 能の 調節 ST3GalVは ス フ ィ ン ゴ 糖 脂 質 の ラ ク ト シ ル セ ラ ミ ド (GA3)のGal部 分 に α2-3の 結 合 様 式 でSia残 基 を 転 移 し,ガ ン グ リ オ シ ド(シ ア ル 酸 を 含 む ス フ ィ ン ゴ糖 脂 質) 図1ガ ン グ リ オ シ ド生 合 成 経 路
ST3GaIV遺 伝 子 の ノ ック ア ウ トマ ウ スで はa-,b-,c-シ リー ズ ガ ン グ リオ シ ドの,ST8SiaⅠ 遺 伝 子 の ノ ックア ウ トマ ウ ス で はb-,c-シ リ-ズ ガ ン グ リオ シ ドの 生 合 成 が な くな る.ST8SiaI遺 伝 子 とGM2/GD2合 成 酵 素 遺 伝子 との ダ ブル ノ ッ ク ア ウ トマ ウ ス で はGM3を 除 くa-,b−,c-シ リー ズガ ング リオ シ ドの 生合 成 が な くなる.GalT:ガ ラ ク トー ス転 移 酵 素.
1727 蛋 白 質 核 酸 酵 素Vol.48No.12(2003) のGM3を 合 成 す る 酵 素 で あ る(図1).一 般 に,ガ ン グ リ オ シ ドは細 胞 間 情 報 伝 達,各 種 レセ プ ター 機 能 の 修 飾,細 胞 接 着,神 経 細 胞 の突 起 伸 展 作 用,病 原 菌 感 染 の レセ プ タ ー 分 子 な ど多 様 な生 理 機 能 を有 す る こ とが 知 ら れ て い る.本 遺 伝 子 の ノ ック ア ウ トマ ウス で は,神 経 系 な ど に含 ま れ るa-,b-,c-シ リー ズ ガ ング リオ シ ドが ま っ た く合 成 され な くな る.こ の と き ノ ッ ク ア ウ トマ ウ ス で は,脳,肝 臓,筋 肉 な どの 組 織 学 的所 見 にお い て は異 常 が 認 め られ な か っ た.し か し,骨 格 筋 の イ ンス リ ン レ セ プ ター の リ ン酸 化 が 強 化 さ れ て い て,イ ンス リ ン に対 す る 感 受 性 が 高 ま っ て い た.こ の た め,野 生 型 マ ウス と 比 較 して 血 中 イ ン ス リ ン量 に は 差 が な い に もか か わ ら ず,グ ル コ ー ス投 与 時 の 血糖 値 の 減 少 が よ り速 や か で あ っ た9).ま た野 生 型 マ ウ ス で は,高 脂 肪 食 を与 え続 け た と き,イ ンス リ ンの 作 用 に よ る血 糖 の取 込 み 能力,お よ び肝 臓 に お け る血 糖 合 成 抑 制 能 力 が 低 下 す る イ ンス リ ン 抵 抗 性 を 示 した が,こ の ノ ッ ク ア ウ トマ ウ ス で は イ ンス リ ン抵 抗 性 を示 さ な か っ た.GM3が イ ン ス リ ン シ グ ナ ル 伝 達 の負 の 調 節 因 子 で あ る こ と は培 養 細 胞 を用 い た 実 験 な どか ら示 唆 され て い た が,ノ ック ア ウ トマ ウ ス の 解 析 に よ り,生 体 内 で も実 際 に そ の よ う に機 能す る こ とが 示 され た. 4.神 経系におけるシアロ糖鎖の機能 ST8Sialは ガ ン グ リ オ シ ドGM3のSia部 分 に α2-8 の 結 合 様 式 でSia残 基 を 転 移 し,GD3を 合 成 す る 酵 素 で あ る(図1).GD3は 神 経 発 生 や ア ポ トー シ ス 誘 導 シ グ ナ ル を 伝 達 す る レ セ プ タ ー 分 子Fasを 介 し た ア ポ ト ー シ ス な ど で 重 要 な 役 割 を 果 た し て い る こ と が 報 告 さ れ て い る.し か し,本 遺 伝 子 の ノ ッ ク ア ウ トマ ウ ス で は,GD3 を は じ め と す るb-シ リ ー ズ ガ ン グ リ オ シ ドが ま っ た く 合 成 さ れ な く な る に も か か わ ら ず,上 記 の 現 象 に 異 常 は 認 め ら れ な か っ た.そ の 代 わ りに,ノ ッ ク ア ウ トマ ウ ス で は,野 生 型 マ ウ ス に 比 べ 傷 害 を 受 け た 舌 下 神 経 の 再 生 能 や ニ ュ ー ロ ン の 生 存 率 が 低 下 し て い た10).こ の こ と か ら,神 経 発 生 や ア ポ トー シ ス に お け るb-シ リ ー ズ ガ ン グ リ オ シ ド の 役 割 に つ い て は,ま だ 不 明 瞭 な 部 分 が 残 る も の の,神 経 再 生 で は 重 要 な 役 割 を 果 た し て い る こ と が 明 ら か に な っ た. ま た,ST8Sial遺 伝 子 とGM2/GD2合 成 酵 素 遺 伝 子 の ダ ブ ル ノ ッ ク ア ウ トマ ウ ス で は,中 枢 神 経 系 に お け る 主 要 な ガ ン グ リ オ シ ド と し てGM3の み を 発 現 す る よ う に な る.Proiaら は,こ の ダ ブ ル ノ ッ ク ア ウ トマ ウ ス が ケ ー ジ 上 で 鍵 束 を ジ ャ ラ ジ ャ ラ鳴 らす と い っ た 音 刺 激 で け い れ ん 発 作 を起 こ し,大 部 分 の 場 合,死 に 至 る こ とを 報 告 した11).原 因 の 詳 細 につ い て は 不 明 だ が,中 枢 神 経 系 が 正 常 に 機 能 す る うえ で,ガ ン グ リ オ シ ドが 重 要 な役 割 を果 た して い る可 能性 が示 唆 さ れ る. 一 方,Furukawaら が 別 に 作 製 した ダ ブ ル ノ ック ア ウ トマ ウ ス で は,お そ ら く音 刺 激 と は 異 な る 原 因 で 生 後 12週 か ら突 然 死 を 起 こす よ う に な っ て い る12).ま た 生 後25週 で は 顔 面 な ど に引 っ か き動 作 に よ っ て 悪 化 し た と思 わ れ る 難 治 性 皮 膚 傷 害 が発 生 して い る こ とや,傷 害 部 にお け る 末 梢 神 経 の肥 大 や神 経 線 維 の 増 生,機 械 的 痛 覚 刺 激 に 対 す る反 応 の低 下 な ど も報 告 され た.さ ら な る 解 析 に よ り,末 梢 神 経 な どに お け る ガ ン グ リオ シ ド機 能 の解 明 が 待 た れ る と こ ろ で あ る.な お,ダ ブ ル ノ ッ ク ア ウ トの 表 現 型 に違 い が あ っ た の は,ES細 胞 の 遺 伝 的 背 景 が 異 な る こ とが お もな原 因 と考 え られ て い る. ST8SiaⅣ は神 経 細 胞 接 着 分 子(neuralcelladhesion molecule;NCAM)上 のN-結 合 型 糖 鎖 に ポ リ シ ア ル 酸 を付 加 す る 酵 素 と して知 られ て い る.と こ ろ で,シ ナ プ ス の 上 流 に位 置 す る軸 索 に 高 頻度 刺 激 を短 時 間 加 えた と き,シ ナ プ ス 伝 達 の 効 率 が 上 昇 し て,そ の 後 長 時 間 に わ た っ て そ の 増 強 状 態 が 維 持 さ れ る場 合 を長 期 増 強 と よ ぶ.逆 に,シ ナ プ ス伝 達 の効 率 が 低 下 して,そ の 後 長 時 間 に わ た っ て そ の抑 制 状 態 が 維 持 さ れ る と き は,長 期 抑 制 と よぶ.こ の よ う に神 経 の活 動 程 度 に 応 じて シナ プ ス の伝 達 効 率 が 変 化 す る現 象 は シナ プ ス の 可 塑 性 と よ ば れ て お り,記 憶 や 学 習 の 素 過 程 と考 え られ て い る.ST8Sia Ⅳ遺 伝 子 の 成 体 ノ ッ ク ア ウ トマ ウ ス(生 後4∼6カ 月)で は,海 馬CA3錐 体 細 胞 の 軸 索 側 枝(シ ェ ー フ ァー 側 枝) か らCA1錐 体 細 胞 へ の シ ナ プ ス 伝 達 に お け る 長 期 増 強 お よび 長 期 抑 制 が,野 生 型 マ ウス の そ れ ら と比 べ て 劣 っ て い た13).し か し若 い ノ ック ア ウ トマ ウ ス(生 後17∼19 日)で は,そ の よ う な異 常 は観 察 さ れ な か っ た.脳 で は, も う1つ の ポ リ シ ア ル酸 合 成 酵 素 を コ ー ド して い るST 8SiaⅡ 遺 伝 子 は胎 生 期 か ら生 後 直 後 ま で 高 発 現 して い る が,成 体 で は ま っ た く発 現 し て い な い.一 方,ST8SiaⅣ 遺 伝 子 は成 長 す る につ れ発 現 量 が 低 下 す る もの の,成 体 脳 で も発 現 して い る.両 遺 伝 子 の 発 現 パ タ ー ンか ら判 断 す る と,成 体 の 海 馬CA1領 域 に お け るNCAM上 の ポ リ シ ア ル酸 はST8SiaⅣ に よ っ て 合 成 さ れ て お り,こ れ が シ ナ プ ス の 可 塑 性 に重 要 な役 割 を果 た して い る と考 え
られ る. 従 来,糖 蛋 白 質 糖 鎖 上 の シ ア ル 酸 は 3ま た は α2-6結 合 して い る も の が 大 部 分 で,α2-8結 合 を 含 む オ リ ゴ-ポ リ シ ア ル 酸 構 造 はNCAMな ど 一 部 の 蛋 白 質 に し か 存 在 しな い と考 え られ て い た.し か し,モ ノ ク ロ ー ナ ル抗 体 の 作 製 や検 出 感 度 の 向上 に よ り,さ ま ざ ま な糖 蛋 白質 の糖 鎖 上 に もオ リ ゴ シ ア ル酸 構 造 が 普 遍 的 に存 在 す る こ とが 明 らか に な っ て きた14).ま た 最 近,筆 者 ら はO-結 合 型 糖 鎖 上 に好 ん で オ リ ゴ シ ア ル 酸構 造 を合 成 す る新 規 シ ア ル 酸 転 移 酵 素(ST8SiaⅣ)を 同 定 した15).α2-8結 合 を含 む オ リ ゴーポ リ シ アル 酸 糖 鎖 は 神 経 系 で 機 能 して い る もの が 多 く知 られ て い る が,今 後 は 神 経 系 以外 で の 役 割 につ い て も注 目す べ きだ ろ う.
Ⅲ.糖 転移酵素遺伝子と糖鎖機能の多様性
こ の よ う に,各 シ ア ル 酸 転 移 酵 素 が つ く り出 す 糖 鎖 が,免 疫 系,血 液.血 球 系,神 経 系,レ セ プ タ ー 機 能 の 調 節 な ど,さ ま ざ ま な生 命 現 象 に深 くか か わ っ て お り, 重 要 な 役 割 を果 た して い る こ とが遺 伝 子 レベ ル で 明 らか に な っ て き た.と ころ で,シ ア ル酸 転 移 酵 素 の よ うに, 糖 転 移 酵 素 に は基 質特 異 性 が 類 似 して い る酵 素 が 複 数 存 在 して い る場 合 が 多 い.各 酵 素 の性 質 が ま っ た く同 じ と い う よ りは,基 質 特 異 性 が オー バ ー ラ ッ プ しつ つ も微 妙 に 異 な っ て い た り,ま た 遺 伝 子 の発 現 様 式 に つ い て も違 い が あ る場 合 が 多 い よ うで あ る.シ ア ル 酸 転 移 酵 素 遺 伝 子 の ノ ッ ク ア ウ トマ ウ ス の 解 析 結 果 か ら わ か る よ う に, 遺 伝 子 の多 様 化 に伴 い,各 酵 素 は新 た な 機 能 を獲 得 した り,基 質 特 異性 が よ り厳 密 に な る な ど して,生 体 内 で そ れ ぞ れ 独 自 の 役 割 を担 う よ う に な っ て き た と考 え ら れ る.ま た 一 方 で,類 似 酵 素 問 で あ る程 度 機 能 を 共 有 す る こ とに よ り,1つ の 遺 伝 子 が 何 ら か の 理 由 で 機 能 しな く な っ た 場 合 で も,重 大 な障 害 に 陥 ら な い よ う に調 節 され て い る の だ ろ う.糖 転 移 酵 素 が 進 化 の過 程 で なぜ 多 様 化 し て きた の か とい う問 い に対 して は ま だ 明確 な答 え は 得 られ て い な いが,生 体 シ ス テ ム が 複 雑 に な る に従 い,さ ま ざ ま な糖 鎖 の合 成 や そ の 多 様 な 生 理 機 能 を精 巧 に 制 御 す る う え で,糖 鎖 遺伝 子 の 多 様 化 は 必 要 不 可 欠 で あ っ た の だ ろ う と筆 者 らは 考 えて い る. お わ りに 以 上,シ ア ル酸 転 移 酵 素 遺 伝 子 の ノ ック ア ウ トマ ウス で 明 らか に な った 糖 鎖 機 能 を 中心 に概 説 した.表1で 紹 介 した各 種 糖 鎖 遺 伝 子 の 機 能 も含 め る と,糖 鎖 が さ ま ざ ま な生 命 現 象 に い か に深 くか か わ っ て い る か を うか が い 知 る こ とが で き る と思 う.し た が っ て,現 在 読 者 の 方 々 が携 わ っ て い る 一 見 糖 鎖 とは 関 係 の な さそ うな 生 命 現 象 の な か に も,糖 鎖 が 深 くか か わ っ て い る もの が あ るか も しれ ない.新 規 糖 鎖 遺 伝 子 の ク ロ ー ニ ング や 各種 糖 鎖 遺 伝 子 ノ ッ ク ア ウ トマ ウ ス な どの 網 羅 的 な解 析 が 進 む につ れ,糖 鎖 機 能 を 理 解 す る う え で 重 要 な 情 報 が 得 られ る機 会 は ます ます 増 え て い くだ ろ う.そ の 過 程 の な か で,多 種 多 様 な 糖 鎖 の構 造 と機 能 の相 関 に関 す る共 通 性 や 法則 性 が 見 い だ さ れ る か も し れ な い.ま た そ う い っ た知 見 を 利 用 した 疾 患 治 療 な どへ の応 用 も現 実 の も の に な っ て い く と思 わ れ る.今 後 の 糖 鎖 生 物 学 領 域 の さ らな る発 展 に 期 待 した い.1) Lowe, J. B., Marth, J. D. : Annu. Rev. Biochem., 72, 643-691 (2003)
2) Schwarzkopf, M., Knobeloch, K. P., Rohde, E., Hinderlich, S., Wiechens, N., Lucka, L., Horak, I., Reutter, W.,
Horstkorte, R. : Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 99, 5267-5270
(2002)
3) Takashima, S., Tsuji, S., Tsujimoto, M. : J. Biol. Chem., 277,45719-45728(2002)
4) Hennet, T., Chui, D., Paulson, J. C., Marth, J. D. : Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 95, 4504-4509 (1998)
5) Priatel, J. J., Chui, D., Hiraoka, N., Simmons, C. J. T., ardson, K. B., Page, D. M., Fukuda, M., Varki, N. M., Marth,
J. D. : Immunity, 12, 273-283 (2000)
6) Moody, A. M., Chui, D., Reche, P. A., Priatel, J. J., Marth, J. D., Reinherz, E. L. : Cell, 107, 501-512 (2001)
7) Ellies, L. G., Ditto, D., Levy, G. G., Wahrenbrock, M., burg, D., Varki, A., Le, D. T., Marth, J. D.: Proc. Natl.
Acad. Sci. USA, 99,10042-10047 (2002)
8) Ellies, L. G., Sperandio, M., Underhill, G. H., Yousif, J., Smith, M., Priatel, J. J., Kansas, G. S., Ley, K., Marth, J. D.: Blood,
100,3618-3625(2002)
9) Yamashita, T., Hashimoto, A., Haluzik, M., Mizukami, H., Beck, S., Norton, A., Kono, M., Tsuji, S., Daniotti, J. L., Werth, N., Sandhoff, R., Sandhoff, K., Proia, R. L. : Proc.
Natl. Acad. Sci. USA, 100, 3445-3449 (2003)
10) Okada, M., Itch, M., Haraguchi, M., Okajima, T., Inoue, M., Oishi, H., Matsuda, Y., Iwamoto, T., Kawano, T., Fukumoto,
S., Miyazaki, H., Furukawa, K., Aizawa, S., Furukawa, K. :
J. Biol. Chem., 277,1633-1636 (2002)
11) Kawai, H., Allende, M. L., Wada, R., Kono, M., Sango, K., Deng, C., Miyakawa, T., Crawley, J. N., Werth, N.,
1729 蛋 白質 核 酸 酵素Vol.48No.12(2003)
und, U., Sandhoff, K., Proia, R. L.: J. Biol. Chem., 276, 6888(2001)
12) Inoue, M., Fujii, Y., Furukawa, K., Okada, M., Okumura, K., Hayakawa, T.. Furukawa, K., Sugiura, Y. : J. Biol. Chem.,
277,29881-29888(2002)
13) Eckhardt, M., Bukalo, 0., Chazal, G., Wang, L., Goridis, C., Schachner, M., Gerardy-Schahn, R., Cremer, H., Dityatev,
A. : J. Neurosci., 20, 5234-5244(2000)
14) Sato, C., Fukuoka, H., Ohta, K., Matsuda, T., Koshino, R., Kobayashi, K., Troy, F. A., Kitajima, K.: J. Biol. Chem.,
275,15422-15431(2000)
15) Takashima, S., Ishida, H., Inazu, T., Ando, T., Ishida, H., Kiso, M., Tsuji, S., Tsujimoto, M. : J. Biol. Chem., 277,
24030-24038(2002) 高 島 晶 略 歴:1997年 東 京 大 学 大 学 院 農 学 系 研 究 科 応 用 生 命 工 学 専 攻 博 士 課 程 修 了,理 化 学研 究 所 フ ロ ンテ ィ ア研 究 員(こ の 間, UOSD-HHMI訪 問 研 究 員),同 脳 研 研 究 員 を 経 て,2000年 よ り 同 基 礎 科 学 特 別 研 究 員,研 究 テ ー マ:糖 鎖 遺 伝 子 の 機 能 解 析 ．
京都大学再生医科学研究所開所5周 年記念 シンポジウム
日 時2003年10月6日(月)10:00∼17:30 会 場 京 大 会 館(京 都 市 左 京 区吉 田河 原町15-9) プ ロ グ ラム 小 胞 体 に お け る タ ンパ ク質 のfoldingと 品 質 管 理(永 田 和 宏,京 大 再 生 研)/神 経 細胞 分 化 の分 子 機 構 とそ の系 統 的 制御(笹 井 芳 樹,理 研 再 生)/制 御 性T細 胞 に よる 移植 免 疫 寛容 の誘 導(坂 口志 文,京 大再 生 研)/タ イ トル 未定(山 岡義 生,北 野 病 院)/幹 細 胞 生 物 学 の 血 管 医 学へ の応 用(浅 原 孝 之,理 研 再 生)/ヒ トES細 胞 株 の 樹 立 と再 生 医学(中 辻 憲 夫,京 大 再 生 研)/末 梢 神 経 の再 生(清 水慶 彦,京 大 再 生研)/シ ミュ レー シ ョ ン医 工 学 は 機 能再 生 医 療 に貢 献 す る?!」(堤 定 美, 京 大 再生 研) 参 加 費 無 料(来 聴歓 迎)懇 親 会 費 有料(事 前 申込 要)参加 申込 ・問合 せ 先 再 生 研 シ ンポ ジ ウム事 務 局 FAX 075-751-4646 E-mail : shomu@frontier.kyoto-u.ac.jp
http : //www.frontier.kyoto-u.ac.jp 第14回 フ ォ ー ラ ム ・イ ン.ド ー ジ ン 「糖 鎖 生 物 医 学:多 様 な糖 鎖 構 造 がつ く りだ す生 物 機 能 と 病 態 」 日 時2003年11月28日(金)9:30∼ 場 所 鶴屋 ホ ー ル[テ トリア熊 本(鶴 屋 東館)7F熊 本 市 手 取 本 町6.1] 参 加 費 無 料 プ ログ ラ ム 糖 鎖 の構 造 とあ らた な生物 機 能(谷 口直 之,阪 大 院 医)/ム チ ン と レク チ ンの免 疫 生 物 学(入 村 達 郎,東 大 院薬)/バ イ オ イ ンフ ォマ テ ィク ス を利 用 した糖 鎖 遺伝 子 の 網 羅 的解 析(成 松 久,産 総 研)/糖 鎖 と炎 症 反 応及 び ⅣgA腎 症 ― ガ ラ ク ト ー ス転 移 酵 素遺 伝 子KOマ ウス の解 析 か ら(浅野雅 秀 ,金 沢大学際科 学実験 セ)/シ アル酸転 移酵素の異常 による病態の メカ ニ ズム(古 川鋼 一,名 大 院 医)/シ ア リダー ゼ 異常 とが ん.糖 尿 病(宮 城 妙 子,宮 城 が んセ)/糖 鎖 硫 酸 化 の 異 常 に よ る病 態 の 分 子機 構(本 家 孝一,高 知 医大)/糖 鎖構 造 異 常 と先 天性 筋 ジス トロ フ ィー(遠 藤 玉夫,都 老 人研) 問合 せ ・ 〒861-2202熊 本 県上 益 城 郡益 城 町 田原2025-5(株)同 仁 化 学 研 究所 内 フ ォー ラ ム ・イ ン.ド ー ジ ン事 務 局 申込 み先 担 当:蒲 野.堀 口 Tel. 0120-489548 FAX 0120-021557 E-mail : komine@dojindo.co.jp, d-hori@dojindo.co.jp
日本 生 体 エ ネル ギ ー研 究 会 第29回 討 論 会 「膜 と 輸 送 と エ ネ ル ギ ー と 」 会 期 平成15年12月15日(月)∼17日(水) 場 所 東京 工 業 大 学 すず か け台 キ ャ ンパ ス大 学 会館(東 急 田 園都 市 線 す ずか け台 下車) 内 容 口頭 発 表 ・ポ ス ター 発 表 特 別 講 演(予 定)豊 島 近(東 大分 生 研),光 岡 薫(京 大LTMセ ン ター),KabackH.R.(UCLA) 参加 申込.発 表希 望 の 有 無,発 表 の場 合 は タ イ トル と口 頭 ・ポ ス タ ー の別 を 明記 して,下 記E-mailア ド レス に9月30日 まで にお 送 演題 募 集 り下 さい(要 旨締 切 は11月15日 予定.発 表 予 定 者 に別 途 連絡 します). 参 加 費2,000円(要 旨 集代 を含 む)懇 親 会 費別途 申込 み ・ 〒226-8503横 浜市 緑 区 長 津 田4259東 京工 業 大 学 資源 化 学研 究所 久 堀 徹
間合せ先 FAX 045-924-5277 E-mail : jbeg2003@res.titech.ac.jp
http://www.res.titech.ac.jp/-seibutu/JBEG2003/29th jbeg.html
