細胞膜の規則正しい構造がどのようにできるのかということについて、新しい仮説が注目されている。ドイツ連邦ポツダム市にあるMax Planck Institute of Colloids and Interfacesの科学者チームが、糖脂質と呼ばれる糖と脂質の複合体が、細胞膜においてどのようにしてそれ自体でラフト、つまり非常に規則的な微小な領域を持った構造物を形成することができるのかという謎を説明する仮説を提出している。植物や動物の細胞膜表面の糖脂質配列は様々な細胞プロセスを制御しているが、このプロセスにエラーが発生すると、発作性夜間ヘモグロビン尿症 (PNH) や牛海綿状脳症 (BSE) などの疾患が起きる。
この研究論文は、2012年12月14日付「Angewandte Chemie International Edition」初出掲載。脂質、つまり、脂肪や脂肪に似た物質は、人体のあらゆるところにできる。脂質は身体の中でもっとも重要なエネルギー貯蔵源であると同時に細胞膜の形成に不可欠な構造材料でもある。複合糖質と脂肪から合成される化合物は糖脂質と呼ばれ、人体のすべての細胞膜に含まれる重要な情報伝達物質で、細胞のタイプや状態を常に情報交換している。様々な新陳代謝プロセスは糖脂質とそれの認識に依存している。免疫系も、病原体を判定し、これと戦う際には、病原体細胞表面の特定糖構造を手がかりにしている。
グリコシルフォスファチジルイノシトール (GPIs) は天然糖脂質の一種で、植物や動物の細胞膜の表面にあり、遊離分子として或いはタンパク質のアンカーとして細胞膜表面に存在している。細胞膜中の糖脂質クラスターは、その配列や偏在性、そして、部分的には非常に規則正しい微小な領域を形成しようとする傾向は、細胞が効率的に機能するために重要な特性と考えられている。このような微小なクラスターは様々な細胞プロセスの制御に非常に重要な役割を担っており、正しく機能しなければ大変なことになる。たとえば、GPIにアンカーされた分子の蓄積、欠失、変質はBSEやPNHなどの重大な疾患を引き起こすことがあることはすでに実証されている。
ポツダム市近くのゴルムにあるMax Planck Institute of Colloids and Interfacesの科学者は、細胞膜の中でGPIsが規則正しい構造物を形成する仕組みについて新しいヒントを得た。これまで、クラスターやラフト中のGPIsの配列は、細胞膜中に組み込まれた糖脂質の撥水性部分によって決定されるものと考えられていた。現実には、糖脂質の疎水性末端の化学構造が、同じようにリジッドな隣接する分子と強く作用し合うことが判明している。互いに作用し合う分子の数が十分に大きければ、部分的に整列したリジッドな領域が大洋に浮かぶ氷山のように現れてくることも考えられる。Dr. Cristina Stefaniuと同僚研究者は、疎水性末端だけでなく、糖のある大型のGPI先端基もラフトの形成に重要な役割を担っていることを突き止めた。
つまり、分子の親水性のある部分も隣接するGPI分子と強く作用し合うことができるのである。また、分子のこの部分は細胞膜表面と培地の間の境界面に正確に位置している。Dr. Stefaniuは、「隣り合ったGPI分子間の相互作用により、これまで他の細胞膜脂質には見られなかったような結晶配列が形成されてくる」と語っている。
科学者チームは、モデル分子の研究から、細胞膜の秩序に関して新しい考えにたどり着いた。これは、Dr. Peter SeebergerとDr. Daniel Varon Silvaの2人が率いる研究チームが合成したGPIの断片で、GPI全体の挙動をまねている。このGPIの断片は、水表面にわずか分子1個分の厚みのきわめて薄い膜を形成している。この「単分子層」と呼ばれる膜は半割した細胞膜の単純化モデルで、科学者チームはシンクロトロンX線散乱法を用いてこれを解析した。Dr. Stefaniuは、「驚いたことに、GPI単分子層の非常に規則正しい構造は、主に互いに水素結合でつながっている体積の大きい親水性先端基によるものだった」と語っている。水素結合は比較的弱い化学結合で、一方の分子の水素原子ともう一方の分子の酸素や窒素の原子との結合によって、2つの分子が結びついている。つまり、このGPIの断片の単分子層は、脂質鎖の親水性部分とGPI先端基の結晶配列とが特徴になっている。
Dr. Stefaniuは、「ここでの分子格子観測は、まだ脂質単分子層については行っていないが、脂質二分子層でも、摂氏零度に近い温度中に保管しておくとこれに似た規則的な配列になる」と語っている。高濃度の尿素溶液を加えると先端基間の強力な相互作用が停止し、分子格子も崩壊する。これは尿素が水素結合を切断し、先端基の強力な相互作用を阻止し、分子格子を破壊するからだ。さらに、科学者チームは、GPI断片と、規則性のない薄膜しか作れないごく一般的な細胞膜脂質との混合物からも規則的なクラスターが生まれることを実証している。つまり、GPIは、細胞膜の混沌の中から秩序を生み出すことができるのであり、このような特殊な機能は、現実の細胞膜中でGPIが相互作用する上でも非常に重要になることが考えられる。
■原著へのリンクは英語版をご覧ください：Previously Unknown Mechanism Proposed for How Ordered Structures Arise in Cell Membranes
