糖鎖生物学入門―3

平成も最後の日になりました。皆さん、どのようにお過ごしでしょうか。散歩にでかけると、藤の花やキンラン(金蘭)が咲いており初夏に感じられます。さて、糖鎖生物学入門記事の3回目です。(追記:一回目からまとめて糖鎖生物学入門を読みたい方は、固定ページのタブをクリックしてご覧ください。)

前回は糖鎖を構成する単位である単糖monosaccharideについて、その表記方法を含めて紹介しました。今回は単糖の構造について学びましょう。

炭水化物とはどんなものだろうか?:
前に紹介した単糖の一つ、グルコースをCarbodraw(註1)というソフトで書いたのがこの図です。赤が酸素原子、水色が水素原子です。

ではこの、このグルコースの水素原子と、水酸基OHを表示してみましょう。

すると、上の左の図のようにグルコース分子では、H(水素)とOH(水酸基)が上に向いたり、下に向いたりと、いろいろならんでいるのがよくわかります。OHやHは炭素からでている(炭素と結合している)ので、炭素の番号も合わせて表示すると上の右の図のようになります。水素のHと水酸基のOHがそれぞれ番号がついたグルコースの炭素にくっついているのがよくわかります。水はH2Oですが、単糖の各炭素原子に水素HとOH基が結合しており、まるで、炭素原子に水がくくりつけられているようにも見えますね。これが炭水化物という名前の由来です。

グルコースなどの単糖も炭水化物に属する化合物です。炭水化物は、分子式がCn(H2O)mという化学式で書けるものの総称です(最新の定義はもっと詳しいのがありますが、入門者にはこの古典的定義で十分です)。英語ではcarbohydrateといいます。hydrateという接尾語の意味は辞書のOxford English DictionaryではA compound of water with another compound or an elementなどと書いてあって、元素や化合物に水が結合した化合物が炭化水素であるということになります。グルコースの場合は、C6(H2O)6ということになり、図をみてみると、確かに一個の炭素あたり、水が一個結合しており、5の番号のついている炭素(5位の炭素といいます)のところだけが、ちょっと他と違っているのがわかりますね。これもこれでなかなか意味がある構造となっていそうですね。1位の炭素と5位の炭素の間は酸素がつないでいますので、5位と6位の炭素のところだけちょっと違うのに気づくと思います。

単糖は図にみられるように環状構造しているものが安定形です。輪を6つの原子でつくっているもの(6員環)と5つの原子で作っているもの(5員環)があります。グルコースは6員環です。酸素の隣の炭素から順に炭素原子に番号が振られています。この番号は、単糖が結合して糖鎖になるとき、何番目の炭素で結合していくかを記述するのに重要ですので、番号がついているんだということだけ覚えておいてください。

アノマー:
あと、真ん中あたりにβDというのがありますね。これは単糖の立体構造の違いを示すもので、αDのグルコースというのもあります。二つを比べてみると次の図のようになります。

 

違いはどこかわかりますか。1位の炭素でOHとHの向きが逆向きになっていますね。これだけの違いです。水溶液中ではこの二種類のグルコースが平衡状態で一定の比率で存在することがわかっています(純粋なαD グルコースを水にいれると、一部はβD グルコースに変化する。逆も同じです)。αとβの違いはこんなものです。(1位の炭素C-1がアノマー炭素とよばれ、αとβのタイプの分子はアノマーの関係にあるといいます。)

あとはDですが、Lというのが対になっています。L-glucoseという分子もあるわけです。ただ自然界にみられる単糖はほとんどがD型で、L型はフコースとイズロン酸だけなのでフコースとイズロン酸を描くときだけ注意してあとはD型を書けばよいことになります。

エピマーについて:
グルコースの化学式、C6(H2O)6という化学式をもつ単糖は他にもあります。ガラクトースとかマンノースがそれです。構造がどう違うかは以下の図で確認してみてください。

GlucoseとGalactoseの違いは、C-4位の炭素-4のOHとHの付き方ですね。
GlucoseとMannoseの違いは、C-2位の炭素のOHとHの付き方であることがわかります。
たったこれだけの違いですが、生物はこれらの単糖を使い分けているわけで、立体構造の重要性がわかりますね。このように糖の一個の炭素原子の立体配置の異性化したものをエピマーといいます。マンノースとガラクトースは、それぞれグルコースのエピマーです。

註1:Carbodrawについての警告です。糖鎖を描いているソフトはフリーソフトのCarbodrawですが、このソフトをGoogle検索などで探してダウンロードするのは危険ですのでやめてください。このソフトの開発は止まっており、作っていた会社もなくなっています。Google検索で探すと、やばそうなページがいっぱいヒットします。crackだのなんだのというタイトルのページ(このソフトはフリーソフトで登録も不要なもので、crackなど必要なわけがないのですが)があったりして、うっかりクリックすると妙なソフトをダウンロードさせられたり、セキュリティ上の被害を被る可能性もありますので注意してください。(5月1日追記:こちらのページからダウンロードするのは安全そうです。)
https://www.cmbn.no/tonjum/biotools-free-software.html 

写真はキンラン(金蘭)と藤です。

Sydney Brenner先生がなくなられました―検索エンジンSemantic Scholarを使ってみよう

分子生物学の開拓者であり、モデル生物C. elegans(線虫シー エレガンス)を世に送Sydeny Brenner先生が先日(4月5日)なくなりました。RIP to a scientific hero.などとtwitterでも惜しむ声が多かったようです。雑誌Natureの追悼記事はこちらにあります。写真はOIST(沖縄科学技術大学院大学)提供のものです。(RIP というのはラテン語のrequiescat in paceの頭文字をとったもので、may he rest in peace, may she rest in peace, may they rest in peaceの意味だそうです。安らかにお眠りくださいという意味ですね。)
Brenner先生は分子生物学の開拓者の一人で、電子顕微鏡のネガティブ染色法の開発者でもあります。突然変異のメカニズムの研究で大きな業績をあげ、それを使ってアミノ酸をコードしている遺伝暗号が3つの塩基の並びからなる(あるいはありそうもないが3の倍数)ことを証明したり、トランスファーRNAの存在を予言、あるいはmRNAの存在をJacobとの共著論文で証明したりしています。これだけでもノーベル賞級の発見ですね。今まで分子生物学で大いに役立ったファージのように使いやすい多細胞生物で、発生や神経の問題を調べるために理想的なモデル生物を探した結果、線虫C. elegansを導入し、プログラムされた細胞死の研究でノーベル賞を授賞されています。私も英国ケンブリッジにいたときに先生のセミナーにでたことがありますが、理論面からの実験への鋭い切り口が印象的なセミナーでした。新しい技術は新しい発見を生むという先生の言葉は特に記憶に残っています。

Brenner先生の自伝的回想のインタビュー(発生生物学者で位置情報の三色旗モデルで有名なLewis Wolpertに語っています)をまとめた、「エレガンスに魅せられて」という本も前に買ってもっていますが、今は中古本でしか入手できないようですね。

YouTubeにはBrenner先生の動画が色々ありますので、適当なのを選んでご覧になるといいと思います。上に載せている動画は2017年に四日間にわたってシンガポールで行われたBrenner先生の講義の動画です。四日分がアップロードされていますのでご覧ください。この講義はIn the Spirit of Science: Lectures by Sydney Brenner on DNA, Worms and Brains という題で、本になっているようです。私はまだ入手していませんが英語が聞き取れない人は買ってみるのも良いと思います。Kindle版は安く入手できるようです。
この動画、まだ最初のあたりしか見ていませんが、 Turingとvon Neumannの話からはじまっています。Brenner先生はSchrodingerのWhat is Life?には全く興味をもてなかったと、上の自叙伝の本で述べていますが、かわりにNeumannの自己増殖オートマトンの理論に深い興味をもたれたようです。このYouTubeの講演でいっている自己増殖オートマトンの本というのは、たぶんノイマンが1948年にHixsonシンポジュウムというシンポジュウムで、THE GENERAL AND LOGICAL THEORY OF AUTOMATAという題で講演した論文で、後に出版されたこの本Theory of Self-Reproducing Automataではないと思います。Hixson symposiumのNeumannの論文は、中央公論社からでた世界の名著66 現代の科学IIに品川嘉也先生の訳で「人工頭脳と自己増殖」という題で邦訳されています。図書館や古本で探して見られると読めると思います。詳しい注釈がついているので翻訳版はおすすめです。英語の論文はここにあります。これはSemantic Scholarという検索エンジンを使って探しました。これは、工学系、生命科学系にかかわらずとても有用な検索エンジンのように思われます。この検索エンジンはマイクロソフトの創設者の一人Paul Allenが設立したAllen Institute for Artificial Intelligenceが作成しているAIベースの検索エンジンです。コンピュータ科学や生命医科学の論文が収録されており、たとえばC. elegans, chondroitin synthaseで検索すると、私達の論文がトップにでてきます。

遺伝暗号の解読をBrenner先生やCrickたちが進めていたとき、モスクワの学会で全く無名の研究者が遺伝暗号の解読の成功を発表しました。その時、彼の発表会場はほとんど空で人がいなかったそうです。遺伝暗号の最初の解読結果が発表されたというのを友人のMatt Meselsonから聞いたCrickは、その無名のアメリカの科学者Marshall Nirenbergにもう一回、1000人以上が集まるシンポジュウムで同じ話をしてくれと依頼したそうです。シンポジュウムのプログラムにNierenbergの名前を手書きで書き加えたものが残っています。その場でNirenbergは二番目の遺伝暗号の解読の成功も発表したそうです。聴衆は電撃を受けたようなショックを感じたそうです。
これは、私がケンブリッジのMRC LMBのWhite先生のラボに入ったその日に、同時にポスドクにやってきたBob Goldsteinさんが書いているBrenner先生から聞いた話のまとめに載っている話です。自分の研究が抜きさられた(scoopedといいます)時のCrickの態度には学ぶべきところが多いです。Brenner先生の話を聞きに行ったときの別れの際にBrenner先生がGoldsteinさんに語った以下の言葉が印象的です。
As Brenner told me by way of parting advice: “Do the best experiments you can, and always tell the truth. That’s all.”

その他、Brenner先生に関する資料のリンクもGoldsteinさんの以下のページにありますのでご覧ください。

https://goldsteinlab.weebly.com/resources.html

 

私の口演動画の紹介を含むページを作っていただきました

以前、分子生物学会・生化学会の合同大会2017でランチョンセミナーをさせていただきました。その動画は以前紹介したようにYouTubeにでていますが、このたび、シュプリンガー・ネイチャーが電子ブックに関するインタビューや動画をまとめたページを作成してくださったと連絡を受けたので紹介しておきます。

「著者、利用者が語るその魅力 ― イーブック体験談」というページです。私の動画紹介だけのページはこちらです。他にもいろいろ面白い動画がありますのでご覧ください。

写真は近所の公園で一昨日撮影した桜です。桜がはらはらと散る光景も目につくようになり、そろそろ散った桜の花びらが道路をおおうようになってきました。

糖鎖生物学入門―2

糖鎖生物学入門―2

新元号が令和に決まりましたね。漢和辞典でという字を調べてみると、令日は「よき日」の意味ですし、令人は「よき人、美しい人」の意味、令嬢とか令徳など、の次に来る字が「よきものであり、うやまう」という用例が多いようです。平和や なごみがよきものになりますようにという意味になる、よい元号だと思いました。
今これを九大医学部図書館で書いていますが、九大医学部の桜も満開です。写真は今日の医学部キャンパスで撮影した満開の桜と、

3月26日に撮影した医学部キャンパスの桜です。

さて、糖鎖生物学入門の二回目です。九州大学で同名の講義をした時の資料をもとに全く新しく書いていきます。

糖鎖の構成要素(単糖):
糖鎖sugar chainというのは、単糖とよばれる糖がつながってできる鎖(枝分れするものも多い)です。糖鎖というのは例えばこんなものです。

この図には9種類の糖鎖があげてあります。色のついた丸や四角が単糖monosaccharideを表しており、単糖が様々につながって糖鎖ができるのです。枝分れしたりしていますので、糖鎖はとても多彩な分子構造をとることができそうですね。

単糖というのは、グルコース(ブドウ糖です)とかガラクトースとか、フコースとかN-アセチルグルコサミン(エヌアセチルグルコサミン)とかいう糖で、色々な種類があります。糖鎖について学び始めるときに最初に学ぶべき単糖の名前を下の図にのせておきます。こんな単糖があって、糖鎖をつくっているのだというのをみるのに最適な、入門者むけの単糖だけを選んであります(註1参照)。
この図にのっている単糖の名前や、記号を全部覚える必要はありません。その都度、参照することにしたらいいです。図にある単糖の中でN-アセチルグルコサミンGlcNAc(N-アセチルグルコサミンです。糖鎖生物の研究者は普通、グルックナックと読みます)とか、マンノースMan、グルコースGlc、ガラクトースGalなどの名前はサプリメントの広告とか、日常生活でよく耳にするのではないでしょうか?図には15個の単糖が並んでいますが、たいていの糖鎖はこの図の中の数種類だけを使ってつくられています。単糖の具体的な構造は以下で紹介します。

さて単糖の表記には図にみられるような、カラフルな記号表記が良く用いられています。昔はもっとごちゃごちゃした表記しかなかったのですが、パッと見て糖鎖の構造や類似性がみやすいカラフルな表記が普及しつつあります。Symbol Nomenclature for Glycans (SNFG)と呼ばれる記号表記で、以下のページにまとめられているので参照に便利です。
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/glycans/snfg.html

リンクをクリックしてもらって図をご覧になればわかりますが、ものすごい数の単糖がならんでいます。これを全部覚える必要はありません。この図には様々な糖鎖を記述できるようにと、ヒトなどではあまり見かけない単糖も入っているからごちゃごちゃしているのです。そこで次の表には私の独断と偏見で選んだ、入門者に必要な単糖のみを残して後は消したものをあげてあります。(バクテリアにみられる糖とか、希少糖などめずらしい糖―いろんな生理機能も知られて重要性が叫ばれています―を除外しています。)上の図よりちょっと増えて20個ありますが必要に応じて参照していただければと思います。リンク付のpdfファイルもここにありますので参考にしてください。

Glc  Man  Gal 
グルコース マンノース ガラクトース
GlcNAc  ManNAc  GalNAc 
N-アセチルグルコサミン N-アセチルマンノサミン N-アセチルガラクトサミン
GlcN  ManN  GalN 
グルコサミン マンノサミン ガラクトサミン
GlcA  ManA  GalA  IdoA 
グルクロン酸 マンヌロン酸 ガラクツロン酸 イズロン酸
  Xyl  Fuc 
キシロース フコース
Kdn  Neu5Ac  Neu5Gc  Neu  Sia
ケーディーネヌ N-アセチルノイラミン酸 N-グリコリルノイラミン酸 ノイラミン酸 シアル酸(左の単糖から合成される単糖の分子ファミリー名)

青字の単糖にはリンクがはってありますので、クリックすると単糖の構造式や立体構造が表示されるページにとびます。
こうしたカラフルなSNFG表記の記号は、糖鎖科学の標準的教科書Essentials of Glycobiology 3rd editionでも使われています。https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK310274/ 書籍版は有料ですが最新版が無料で上のリンクで公開されています。この本の図を全部パワーポイント形式にまとめたスライドも前の記事に書いたように無料で公開されていいます。糖鎖生物学の入門者には、この教科書の通読は必要ありません。せっかくネットにアップロードされていて、本の中身の検索もオンラインで自由にできます(このリンクのSearch this bookボタンを使います)ので、糖鎖学習のハンドブックとして是非活用してください。第二版の日本語訳も出ています。

単糖の構造を立体表示してみよう:PubChemによる表示
PubChemというのをご存知ですか?PubChemはNIHが公開しているオープンデータベースです(だれでも研究データをアップロードできて、だれもが利用できるというのがオープンの意味です)。PubChemを使うと様々な化学物質の情報、生理機能、特許、文献、構造式、立体構造そのほかが無料で調べられ利用できます。糖鎖を構成している単糖の構造を立体表示するにも最適のサイトですので、使ってみましょう。

SNFGのページを開いて以下のリンクから単糖のリストのパワーポイントファイルをダウンロードすると、

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/glycans/docs/SymbolNomenclatureForGlycans_SNFG_Slides_UpdateJun2017.pptx

全部の単糖が入ったファイルがみられます。上で物凄い数の単糖のリストといったものです。各単糖にはPubChemへのリンクが張られており、スライド表示にして単糖の名前をクリックするとPubCemへのリンクがブラウザで開いて、化学式や立体構造がPubChemで表示されるのでとても便利です。いろいろPubChemで単糖を表示して遊んでみるのが入門にはよい経験になります。グルコースやガラクトースを立体表示してくるくる回して分子模型を手にとってみているように学べます。

注1:図は糖鎖構造を書くソフトGlycoEditorの入力画面をスクリーンショットしたものです。無料の糖鎖構造作図ソフトですので自分で使えそうな人は、ちょっと使ってみるのをお勧めします。詳しい使い方は次回以降に説明します。