2008年03月05日

GPCRについて

昨日、卒業研究報告が終わりました。知識不足でうまく説明しきれない不甲斐ない報告でしたが、一応、これで終点です。

これで引っ越しに専念できます・・・というか、もう5日しかないので、専念しないと間に合いそうにないですね。どうしてこんな日程にしてしまったのかはよくおぼえていませんが、たぶん、私の交渉能力の低さから、引っ越し屋さんをうまく丸め込めなかった事が原因でしょう。


ところで、いきなりですが、私の卒業研究の対象はGPCRでした。

GPCRと聞いても普通の人にはアルファベットの羅列にしか見えないかもしれませんが、実はこれ、とても重要なタンパク質のグループです。

私たちの体を構成するタンパク質のグループとしては最大のもので、ヒトの遺伝子の3%はこのGPCRの遺伝子であると言われています。


その機能は受容体。


受容体というのは、刺激の“橋渡し”をするタンパク質で、GPCRなどは細胞膜という細胞の外壁にあり、その外側から内側に情報を伝える働きをしています。

あたりまえですが、細胞の内部に侵入するのは難しいんです。特に、以前紹介したように膜の内部は疎水性の層になっているため、血液などに溶けている水溶性の成分が細胞膜を通過するのはかなり困難です。

しかし、私たちの体は約60兆個の細胞で構成されており、それらが連携して一つの体を動かすためには、大量の情報の受け渡しをする必要があり、そのためには様々な細胞外からの情報を細胞内に取り込まなくてはなりません。

生体内の情報伝達の中で、それぞれの細胞内への情報の伝達に重要な働きをしているのがGPCRで、代表的な機能としてはにおい分子や多くのホルモン、神経伝達物質の受容などで活躍しています。

GPCRは細胞外の情報を細胞内に伝える役割なので、GPCRは細胞膜を貫通しています。

しかも、7回も。

ひもでつながれた7本の棒が膜にささっている感じです。

これがヒトでも1000種類近くのあると言われるGPCR全てに共通した構造で、そのユニークな構造から、「7回膜貫通型受容体」などともよばれています。

タンパク質はアミノ酸が連なった一本の鎖のようなものなのですが、そのアミノ酸の並び方がかなり違うようなものにおいても、7回膜を貫通する構造は共通です。

細胞膜については以前書いた事がありますが、ややこしいので省きます。

とりあえず、GPCRは7本の棒が円陣組んで細胞膜につきささっているような構造をしているんです。


シグナルを細胞内部に伝える機構は詳しくは分かっていませんが、細胞外からその受容体が受容する特定の情報が来た場合(そのシグナル分子が結合した場合、)、GPCRのその7本の棒のいくつかの配置が変化し、それが内部に伝わる事によって細胞の内側で控えている細胞内の情報伝達分子に情報を伝える事ができると言われています。

「来ましたよ」って細胞の外側から細胞の内側にGPCRの棒を動かして知らせる訳です。

その細胞内で情報を受けとる分子が決まっていて、それがGPCRという名前の由来にもなっています。

GPCR:Gタンパク質共役型受容体、です。

この「Gタンパク質」というタンパク質(3つのタンパクがくっついてできています。)が細胞膜の内側にくっついていて、それが膜を貫通しているGPCRの細胞内側に結合し、細胞外部の刺激によってGPCRのいくつかの膜を貫通している棒の配置が変化すると、それにくっついているGタンパク質も構造が変化し、GTPと呼ばれる分子を取り込み、Gタンパクは二つに分裂、そして、それぞれが様々な酵素に影響を与えて、色々な生理現象を引き起こします。

このGタンパクの発見者は1994年にノーベル賞を受賞しています。



有名なGPCRとしては、2004年のノーベル賞で話題になった「におい受容体」や花粉症の薬である抗ヒスタミン剤が抑制する「ヒスタミン受容体(H1型)」などがあげられます。モルヒネの受容体(オピオイドレセプター)もGPCRです。

におい受容体の遺伝子は私たちヒトで350ほどあり(マウスでは約1000)、これはGPCRの半数ほど、つまり、私たちの遺伝子の1%以上という事になります。

また、ヒスタミン受容体には他にも種類があって、胃にあるヒスタミン受容体(H2型)が胃薬のターゲットにもなっています。CMでも有名なH2ブロッカー、あのガスター10です。名前の通り、H2受容体(H2型のヒスタミン受容体)を抑制する事ができます。

神経伝達物質でもあるので、麻酔や麻薬、睡眠薬、精神安定剤のターゲットとなることも多いです。

すでに多くの薬においてGPCRがターゲットとなってはいますが、現在開発中の薬においてはその半数がGPCRをターゲットにしていると言われています。その中にはエイズ薬やアルツハイマー薬も含まれています。

今、かなり注目されているタンパク質グループなんです。


ところが、7回膜を貫通しているという大まかな構造は分かっていたのですが、その特異で複雑な構造から、詳細な構造の決定が極めて困難で、アミノ酸配列は1000以上同定されていますが、詳細な構造が分かっているのはたった2つです。

その、最初の一つだったのがウシのロドプシンです。

2000年にワシントン大学が結晶化に成功したウシロドプシンの結晶を用いて、理化学研究所がSPring-8という世界最高水準の放射光実験施設の強力なX線によりその結晶構造を解明しました。

このウシロドプシンの構造解析の論文は、理研が中心となった研究ではこれまでで最も多い論文引用数を持っているそうです。(最多のものは国際ゲノムプロジェクトのものだそうですが)


ちなみに、このロドプシンというGPCRは、とても面白いものを受容しています。


それは、光です。


GPCRは光も受容できるんです。

ロドプシンは目の奥に広がる網膜にある神経細胞の一種、「視細胞」中に存在します。視細胞の中にはたくさんの円盤状の袋があるのですが、ロドプシンはその袋の膜中に大量に存在しています。

ロドプシンが光を受け活性化すると、袋の外側、つまり視細胞中のGタンパク質を活性化させ、それによりいくつかの反応を経て刺激を増幅し、細胞内へのナトリウムイオンなどの陽イオン(プラス電荷)の流入を急激に止め、膜をよりマイナス側に帯電させます(過分極)。

それにより視細胞のシナプスにおけるグルタミン酸という神経伝達物質の放出が抑制され、それが“情報”として伝わっていきます。

つまり、ロドプシンは、光を生体内の情報に変換する入り口という事になります。



通常、タンパク質は白色をしています。これは、目に見える光を全て反射しているという事です。

なぜこんな話をするかというと、ロドプシンもタンパク質だからです。

もしロドプシンが他のタンパク質同様に白色をしていたら、光を吸収する事ができないので、ものを見る事ができないんです。

つまり、ロドプシンは目に見える光を吸収している、つまり、色があるという事です。

厳密には、タンパク質が色を持っている訳ではありません。

ロドプシンには、内部にレチナールと言う有機化合物が組み込まれているんです。

以前、ビタミンAのことを書いた際に出てきましたが、このレチナールはビタミンAの仲間です。ひしゃくの柄が折れたような構造をしていて、光を受ける事でその得がのびるように構造が変化し、その力によってロドプシンを変形させることでGタンパク質を活性化するんです。

ただ、それだけならば必ずしもレチナールを内部に組み込む必要はないですよね。外側からGPCRを活性化させるシグナルが殆どです。

ここで重要なのは私たち色を識別する事ができるという事です。色を見る事が可能なのは複数のロドプシンの仲間がそれぞれ違う色の光を認識するためです。

しかし、用いているレチナールは全く同じものです。

違うのはロドプシンのタンパク質の方。

ロドプシンのタンパク質の部分、つまり、レチナールの周囲を取りっこんでいるタンパク質の部分がレチナールに影響を与えて、吸収する光を調節しているんです。

そもそも、レチナールが吸収する光は、可視光じゃないんですよね。レチナールもロドプシンの中に入って初めて可視光線を吸収できるんです。

もちろん、レチナールを内部に取り込む事によって、反応速度を上げるという意味もあります。わざわざ捕まえるよりも手元に持っていた方が情報がすぐ得られます。

実を言うと、ロドプシン内でのレチナールの構造の変化今のところ最も速い化学反応らしいです。

そのスピードは200フェムト秒・・・この時間では光ですら0.06mmしか進めません。

まぁ実際は、それによってロドプシンの構造が変わってGタンパク質を活性化して、さらにそれがPDEを活性化して、さらにそれがcGMPを分解して、それによってイオンチャネルが閉じて膜の電位がマイナスになる事でグルタミン酸の放出が止まり、それが双極細胞、神経節細胞などを経て情報を整理した後にやっと視神経に向かうので、私たちが見ている映像はそこまでリアルタイムじゃないのですが。

それでも、視覚系の反応は相当速い反応と言えます。


しかも、その受け入れられる光の範囲も広いんです。

通常の酵素反応では、感知できる最小の刺激の1000倍程度までしか許容できないのですが、視覚系においては、光子数個から太陽光まで、実に、100000000000倍(0が11個あります)という広い範囲の光の強度に対応していると言われています。

地球上においては昼と夜があるため、光の強度は相当変化するんです。それに対応するために、目は色々と進化を遂げています。


まず、視細胞が二種類あります。

つまり、明るいときと暗いときで使う視細胞をかえるんです。それによって、カバーすべき範囲は単純計算では半分になります。

しかしそれでも、通常の酵素の100〜1000倍、つまり、通常の酵素の2段階分の範囲をカバーしなくては行けません。

光感度の違う視細胞を4種類用意するのは現実的ではないので、視細胞においては、伝達の抑制機構を働かせる事で幅広い光強度へ対応しています。

いわゆる、明順応とか暗順応とか言われているやつで、口語としては「目が慣れる」と表現しますね。

いったいどうやって目が“慣れる”のかというと、もちろん、大幅な変化であれば働く視細胞の種類が変わる事で対応するのですが、少し明るいところからすごく明るいところに行ったりした場合の順応においては、同一視細胞内で調整が行われています。

その働きの要はカルシウムイオン。

カルシウムイオンはロドプシンが活性化して(中略)陽イオンチャネルが閉じると流入できなくなります。一方で、別の種類のチャネルにおいてはカルシウムイオンが細胞外へ放出されます。

つまり、ロドプシンの活性化で視細胞内のカルシウムイオン濃度が減少するんです。

このカルシウムイオン濃度の減少が順応を引き起こします。

というのは、このカルシウムイオン濃度の低下がロドプシン〜陽イオンチャネルまでの様々な部分で、活性化を抑える働きをするんです。

たとえば、陽イオンチャネルが閉じる原因はcGMPの減少なのですが、カルシウムイオンが減少すると、cGMPを合成する酵素が活性化し、cGMP濃度が上がるんです。そうすると、再び陽イオンチャネルが開き、膜電位が戻ります。他にも、ロドプシンからチャネルまでの複数の箇所でカルシウムイオン濃度の低下によってシグナル伝達を抑制する作用があります。

もし光がかなり強くてカルシウムイオン濃度低下による抑制作用も超えて陽イオンチャネルを閉じる方向(=刺激に反応している状態)に進むので、さらにカルシウムイオン濃度が減少する事になります。

そうすると、刺激感度を下げる方向へどんどん進み、順応が成立するんです。

逆に暗いところではカルシウムイオン濃度が上昇する事で、刺激への感度が上がる方向に進みます。

もちろん、カルシウムイオン濃度にも限度があるので、順応にも限度があります。しかし、通常の環境では問題なくものを見る事ができます。




まぁ他にも色々と視覚については話したい事があるのですが、引っ越しの荷造りをしなければならないのでこれくらいに・・・ぱっと書いたのでもしかしたら間違っている部分もあるかもしれません。

と、いい忘れていましたが、私が研究していたGPCRはロドプシンです。


posted by new_world at 07:55| Comment(8) | TrackBack(0) | 生命の科学 | このブログの読者になる | 更新情報をチェックする
この記事へのコメント
お久しぶりです。卒論おつかれさまです。
無事に終わって何より☆
こちらも終わって、学会発表を残すのみです。

生物物理学はほんとに勉強不足な分野ですが、興味深く拝見しました。
以前、て、ロドプシンの論文を書かれた研究者の方にお会いして、
SPring-8の見学したことがあります。
同じ生物学なのに・・無知を晒すだけで終わってしまった恥ずかしい過去が・・・(苦笑

4月からは就職されるんですね。
入れ替わりで、私がそちらの大学院でお世話になります。
お会いできたら面白かったかもしれませんね。
来年度からもがんばってください☆
Posted by cobatch at 2008年03月13日 21:09
cobatchさん
お久しぶりです。
無事卒業できたので、今度は切り替えて金融の勉強です。

実験ばかりしていてあまり勉強はしてなかったので学部の授業程度のことしか知らないのですが、GPCRやその活性化機構の研究の今後はとても興味深いですし、昨年のヒトアドレナリン受容体の構造決定により、かなり活気付いている分野だと思います。

同じ生物学でも色々ありますよね。私も他の分野はぜんぜんわかりません。基礎中の基礎でもさっぱりな分野が殆どです。

まぁでも、金融よりは詳しいかも・・・

京都にこられるんですね。
交通の便は悪いですが、いい街ですよ。
Posted by new_world at 2008年03月15日 01:03
以前数回コメントをしましたkyokoです。
東京で理科の教師をしています。

視覚についてわからないことがあり、自分で調べても、答えに自信がなく、いくつか質問したいことがあります。もしよろしければ、教えて下さい。

高校教科書にはカン体細胞の事はいろいろ書いてあるのですが、錐体細胞のことはあまり表記されていなく、疑問だらけなのです

1、錐体細胞もカン体細胞と同じレチナールを持っているが、カン体細胞との違いは、それを取り囲むタンパク質(GPCR)の違いである。

2、錐体細胞においても、レチナールがシス型からトランス型に変化することが発端となって興奮が起こる

3、トランス型は暗所で再合成されてシス型になる

4、昼間、カン体細胞内ではレチナールはほとんどトランス型になっているので、働いていない

5、よって昼間は錐体細胞だけが働いている

以上1〜5は間違いないでしょうか?

6、ではなぜ錐体細胞は、昼間ずっと働き続けることができるのか?トランス型がシス型に再合成されるのは、暗い所でしかおこらないというのは、カン体細胞内だけの現象なのか?
錐体細胞内のレチナールは、明所でも連続的にトランス型からシス型の変換できるのか?

とても初歩的な質問なのにわかりません、よろしくお願いします。


Posted by kyoko at 2009年11月14日 21:05
kyokoさん
回答が遅れすみません。

錐体細胞(cone)や桿体細胞(rod)のレチノイドサイクルについてですか。懐かしい話題です。正直、もう2年近く離れているので最新の回答にならないかもしれませんが、私の知りうる限りで回答します。

少なくとも2年前は、基本的に「rodとconeのレチノイドサイクルは同じである」と考えられていて、ただし、「Muller Cellなどにcone独自のレチノイドサイクルがある可能性も示唆されている」という状況だったと思います。

cone独自のサイクルについては未確定なので、今回は基本形のレチノイドサイクルを前提として説明します。

まず、前提とされている5点についてですが、いくつか気になった所があります。

上記の前提条件からでは一概に判断できませんが、視細胞におけるレチノイドサイクルについて一部誤解があるように感じられます。(もし違ったらすみません。)

視細胞におけるレチノイドサイクルは簡単に言うと次の様になります。

1.オプシン蛋白に11-cisレチナールが取り込まれてロドプシンが機能を持つ。

2.光を受け、11-cisがall-transに変化することでロドプシンが活性を持つ。
(ロドプシンはall-transのものが活性を持ちます。受容体に体するリガンドと言えます。)

3.ロドプシンからall-transレチナールが分離し、オプシン+all-trasとなる。

4.all-transは色素上皮(RPE)に運ばれ、11-cisとなり再び視細胞に運ばれる。

5.オプシンに11-cisレチナールが取り込まれロドプシンが再生する。



kyokoさんが出された条件の3つ目ですが、少なくとも私の認識では、ロドプシンの再生は暗所で行うと言う制限はなかったと思います。そういう話を聞いた記憶はないですね。
あと条件の4つ目ですが、all-transは活性状態です。

ただし、活性状態を防ぐ為に、この記事の本文で示したような「カルシウムイオン濃度によるシグナル活性の抑制」やロドプシンのリン酸化やアレスチンとの結合によるGt活性阻害等で活性状態は抑えられます。

また、余談ですが、11-cisはそれ自体がオプシンの活性を阻害するインバースアゴニストの役割があります。(間違った伝達を行わない為の仕組みです。)

明るい状態の時にrodがどうなっているかという問いに明確には答えられないのですが、少なくとも活性は持っていないので、活性抑制機能が充分に機能しているんだと思います。

つまり、回答としては「視物質の再生はリアルタムで行われているので錐体細胞も機能し続けることが出来る」ということになります。


あと、coneの再生についてですが、実験系においては、rodの再生よりもconeの再生の方が早いです。

実験系では細胞内とは環境が違うので何とも言えませんが、少なくともオプシン自体はconeの方が早く再生するように出来ているように思います。

ただ、細胞内の環境だと、それをサポートする酵素等がありますので、もしかすると、もっと差が出たり、逆にそうでもなかったりするかもしれません。


初めに書いた通り、coneのレチナールのサイクルについては詳細には分かっていません。基本的にrodと同じだろうと思われていますが、coneリッチな構造をしている鳥類の目や霊長類のホベア(中心窩)などの研究で、もしかしたら・・・って状態です。

明確な回答になっていない部分もありますが、こんな感じではダメでしょうか?
Posted by new_world at 2009年11月21日 20:45
丁寧な返信ありがとうございます。
しばらく考えていたので、御礼が遅くなりました。
返信の意味は理解しました。

高校の教科書・図解などには、はっきりと「暗所でATPを用いて視黄(レチナール+オプシン)や視白から視紅(ロドプシン)が再合成される」と、書いてあるのです。
これはどう理解すればよいのでしょうか?間違っているのですかね。

それからnew worldさんの返信に、色素上皮(RPE)で再生されると書いてあるのですが、これは、目の構造でいう脈絡膜と視細胞の間にある細胞のことですよね。まさかこれを暗所と表現しているわけではないですよね。





Posted by kyoko at 2009年12月06日 00:14
kyokoさん
教科書に書いてあるんですか・・・高校では生物をやってなかったんで知りませんでした。

all-transのレチノイドを運ぶタンパク質があって、色素上皮まで運んでくれます。

実験系ではサイクルではなく消費される一方なので確かに暗所で再生させるのですが、明るいとか暗いとかに関係なく11-cisがあればくっつくと思います。

ただ、一つ考えられるのは、「11cisレチナール」が明所でどう維持されるのかという点ですかね。そこは私も知りませんが、少なくとも、実験系では遮光して保存して暗室内で再生させていました。

でも、その点についても、レチノイドを運ぶ蛋白があるので蛋白の機能として持っていればいい話ですし、問題ないと思うのですが。

私はその点は知りませんので、そこはもう論文等で確認するしかないと思いますね。

はっきりした回答にならず申し訳ありません。
Posted by new_world at 2009年12月29日 16:27
再度返信ありがとうございます。

難しい論文を読む力がないのですが、またこの辺を教える時期になったら、頑張ってみます。

気象や天文・暦の話はとてもわかりやすく、おもしろいです。たまに授業でパクらせてもらっています。雲の写真もすばらしい。

来年も楽しみにしています。どうぞよいお年を
Posted by kyoko at 2009年12月31日 09:54
kyokoさん
確かに論文は取っ付きにくいですが、詳細まで読めなくてもキーワードと図・表が読めれば何となく分かると思いますよ。

どちらかというと、論文を入手する方が大変だと思います。大学の図書館とかで見れるんですかね・・・よく知りませんが。


2009年が世界天文年だったということもあり、最近は天文学に興味をもっています。大学の時に地学を勉強していたこともあって、最近たまに教科書なんかを引っ張りだして久しぶりに読んだりしています。

時間があれば、また何かブログでも紹介できたらと思っています。
Posted by new_world at 2010年01月01日 15:29
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