糖鎖生物学入門―5 糖鎖を描いてみよう―糖鎖シアリル ルイスxを描いて単糖どうしの結合についての理解を深めよう。

今回は、次の図に示す有名な糖鎖 「シアリルルイスX」(sialyl Lewis x: Lexとも書かれます)を描いてみましょう。このシアリルルイスxという糖鎖は、リンパ球の炎症反応などに関わっていたり、癌組織で増えていたり癌の転移に関わっていたりと大変重要な糖鎖です。

まずシアリルルイスxという糖鎖の構造をネットで調べます。(ルイスxやルイス血液型については註1をご覧ください。)

sialyl Lewis(x)というのをPubChemでしらべてみると以下のように化合物名がでています。
https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Sialyl-Lewis_X
ページの中を読んでいくと、
sialyl Lewis xとあって下に様々な表記で同じ化合物を表したものがならんでいます。
Neu5Acα2-3Galβ1-4(Fucα1-3)GlcNAcbβ
α-Neu5Ac-(2->3)-β-D-Gal-(1->4)-[α-L-Fuc-(1->3)]-β-D-GlcNAc
alpha-Neup5Ac-(2->3)-beta-D-Galp-(1->4)-[alpha-L-Fucp-(1->3)]-beta-D-GlcpNAc (Neup、Galp、Fucpについては注2参照。pはピラノースの意味です。)
alpha-Neu5Ac-(2-3)-beta-D-Gal-(1-4)-(alpha-L-Fuc-(1-3))-beta-D-GlcNAc

この表示の意味がわかるようになるのが今回の目標です。

今回は上のシアリルルイスxの構造表記をもとに、前に紹介したCarbodrawというソフトをつかって糖鎖を描いてみましょう。このソフトのヘルプに英語ですがシアリルルイスxの書き方がのっています。(最後のD-GlcNAcがαになっている図を描いた例です。)
大学院の講義でこのソフトで糖鎖を描く例としてとりあげていたので、この入門でもやってみようと思います。生物が使っている単糖はたいていはD型ですが、フコースとイズロン酸はL型であることに注意して描いてみましょう。まず以下の表記を使ってみましょう。
alpha-Neup5Ac-(2->3)-beta-D-Galp-(1->4)-[alpha-L-Fucp-(1->3)]-beta-D-GlcpNAc

Carbodrawでこの構造を書く方法は以下のとおりです。

まずFucoseとGlcNAcをα(1,3)結合で結びましょう。
-[alpha-L-Fucp-(1->3)]-beta-D-GlcpNAcの部分を描く作業です。デフォルトで表示されるFucose(フコース)はD型になっています。これをL型にかえなくてはなりません。αD Fucoseの上で右クリックして、Propertiesを選択すると下図のような画面がでます。ConfigurationがDになっているのをLに変えて、OKを押すとできあがり。これでL-Fucoseになりました。

(今回はやりませんが、Anomerityの項目でAlphaとあるところをBetaにするとβ-Fucoseができます。SubstitutionsのUp, Downのメニューを選ぶと、硫酸化とかの修飾も入れることができます。)
次に、-[alpha-L-Fucp-(1->3)]-beta-D-GlcpNAcの表記の後半、
beta-D-GlcpNAcを、Fucoseの時と同様にalpha-D-GlcpNAcから作ります。メニューからGlcNAcを選ぶと、デフォルトではα-D-GlcNAcが表示されるので、名前の文字のあたりを右クリックして、Propertiesを選び、Anomerityの部分にAlphaとあるところをプルダウンからBetaにかえてOKを押すとα-D-GlcNAcがβ-D-GlcNAcにかわります。

最後に、作ったα-Lフコースと、α-D-GlcNAcをα(1,3)グリコシド結合で結びます。それにはメニューの矢印の隣、魔法の杖のようなマークをクリックします。カーソルが魔法の杖に変わったら、単糖の炭素の番号表示をオンにしておき(炭素の番号表示のオン、オフは➂と書いてあるボタンをクリックして行います)、Fucoseの1番の炭素をこの杖のカーソルでクリックし、ドラッグすると線がマウスカーソルを動かすにつれて伸びていきますので(下図)、GlcNAcの3番の炭素までドラッグしていきます。

フコースの1番炭素からGlcNAc(グルックナック)の3番炭素にちゃんと結合ができると、線が太くなるのでそこでドラッグを止めると結合が描画されます。

 

まず一つ結合が書けました。こうして実際にソフトを使って書いてみると[alpha-L-Fucp-(1->3)]-beta-D-GlcpNAc化合物の表示の(1,3)などという表現の意味が良くわかると思います。

次はalpha-Neup5Ac-(2->3)-beta-D-Galp-(1->4)-[alpha-L-Fucp-(1->3)]-beta-D-GlcpNAc

の前半、alpha-Neup5Ac-(2->3)-beta-D-Galp-(1->4)-を描きましょう。

CarbodrawのメニューからNANA(Neu5Ac:N-Acetylneuraminic acid=N-アセチルノイラミン酸)を選んでそれをβ-D-Galに結合させます。
まずNANAの結合するGalactoseを描きましょう。Galactoseを選んで図に追加すると、α-D-Galactoseが描かれます。それをβ-D-Galactoseに変えて、(右クリック、PropertiesででるメニューのAnomerityのプルダウンからBetaを選んでOKを押すだけです)、できたものの一番目の炭素を、さきほど作ったβ-D-GlcNAcの四番炭素へ結合させます。

次に、シアル酸のNANAをメニューから選び、図に追加します。これをβ-D-Galacotoseの3番の炭素に結合させます。NANAで炭素の番号を図のように表示するとわかりますが、シアル酸以外の他の単糖(ピラノース型のもの)の酸素(図では酸素は赤丸で表示されています)のとなりの炭素は1番なのに、シアル酸ではピラノースの酸素の隣の炭素の番号は2番になっています。それで普通の単糖の場合1-3結合に相当する結合がシアル酸では2-3結合になるわけです。この炭素の番号づけのずれのために、シアル酸転移酵素(シアル酸をくっつける酵素)はα2-3、α2-6、α2-8というように2番炭素がグリコシド結合に関与する結合表示となります。NANAの2位の炭素からalpha-Neup5Ac-(2->3)-beta-D-Galp-(1->4)-の表記にしたがって、α2-3結合をGalactoseの3位の炭素にむけて作りましょう。これでシアリルルイスx糖鎖が完成です。

 

 

自分でいろんな結合をつくってみると、糖鎖の論文にでているα1,3とかいう文言が怖くなくなるでしょう。詳しいやり方は、CARBODRAW/HELP/CARBODRAW.HTMLにありますので、CarbodrawのヘルプメニューからHelp Topicsをクリックして、参照してください。

記号表示では以下のようになります。

シアル酸の場合、何も書いていときは上に書いたとおり、αのあとには2が略してあると思ってください。それ以外のαやβはα1、β1が略してあるということです。

註1:ルイスエックスという名前にある、ルイス(Lewis)というのは、ルイス血液型という名前に由来します。ルイス血液型をになうのはルイスaとルイスbという糖鎖です。ルイスというのは、この血液型を解明するのに貢献した抗ルイスa抗体を提供したドナーのルイスさんの名前にに由来するのだそうです。LeaやLebの糖鎖は、糖脂質に付加されており、血清に存在する糖脂質が赤血球表面に吸着して血液型物質になっている例です。ルイスa, ルイスという糖鎖の異性体がそれぞれルイスx、ルイスyという糖鎖です。ルイスxやそれにシアル酸が付加されたシアリルルイスxは赤血球表面には存在していないので血液型物質ではないのですが、リンパ球の表面に存在して炎症反応などに関わっていたり、癌組織で増えていたり癌の転移に関わっていたりと大変重要な糖鎖です。
註2:この表現でのNeupとかGalp、Fucpという表記のpはピラノースの意味です。ピラノースは、O(酸素)を含む6員環の化合物ピランpyranに由来する糖の命名法で、Oを含む6員環構造をとっている糖を指します。furanoseはOを含む5員環の構造をとっている糖を指し、これもOを含む5員環の化合物furanに由来する命名です。

糖鎖生物学入門―4 アルマ望遠鏡がとらえた、宇宙に存在する糖

前回は単糖の構造を簡単に紹介しました。炭水化物は一般にCm(H2O)nと表記され、炭素に水がついたような分子という意味で、carbo hydrate (炭・水化物)というのでした。ではm=2でn=2の化合物、C2(H2O)2というのはどんな分子でしょうか。
グリコールアルデヒドという名がついているこの分子は、PubChemでは下図のような構造であると表示されています。 立体構造はこんな感じです。

図の左の構造式をみると、右端にアルデヒド基-CH=Oがあります(註2)。HOCH2-CH=Oいう構造のこの分子は、diose とよばれ (di-は2という意味の接頭語、-oseは糖を示す接尾語ですので、2-carbon sugarとも言われます。二炭糖といいます。註1参照)、体内で重要な代謝産物として働いており、たとえばアセチルCoAに容易に変化することも知られています。
このdioseは実は宇宙に存在しています。その存在を明らかにしたのは、先日ブラックホールの形をとらえた電波望遠鏡システムALMAです。
The Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) は、南米チリのAtacama砂漠に展開している電波望遠鏡群=アタカマ大型ミリ波サブミリ波干渉計です。上にリンクを張った日本語での紹介ページのトップの「ALMA望遠鏡にまつわる10のこと」の第4番目に「地球外生命の可能性に迫る」という項目があり、そこにグリコールアルデヒドの分子の絵がのっています。説明文にはアミノ酸のことばかり書かれていますが、グリコールアルデヒドは様々な炭水化物のもとにもなる分子です。
発見された場所はIRAS 16293-2422という地球から400光年はなれた連星系のガスの中で、太陽系タイプの星が誕生している現場と考えられているところです。その暖かいガス(200-300K程度の温度だそうです)の中に初めてグリコールアルデヒドが存在することがALMA電波望遠鏡で検出されたのです(論文はここからダウンロードできました)。以下の動画も参考にしてください。

グリコールアルデヒドは上に述べたように最も簡単な糖 diose (二炭糖)であり、ホルムアルデヒドからはじまるホルモース反応(formose reaction)で、触媒の存在下で様々な単糖やリボースなども合成できる素材となる分子でもあります。ホルムアルデヒド(化学式はHCHOでありこれはC(H2O)とかけます)は宇宙空間に存在することがすでに分かっており、グリコールアルデヒドとホルムアルデヒドがホルモース反応をすると三炭糖(グリセルアルデヒドなど)ができあがり、それをもとに様々な糖が合成できるのです。つまり宇宙に、それも太陽系の形成現場にグリコールアルデヒドが検出できたということは、生物によらない触媒で、こうした糖が形成される可能性を補強する発見であり、生命の礎になる炭水化物分子の発見は、宇宙における生命の起源の研究に大きく貢献するというわけです。

最初の有機化合物の一つとして、簡単に糖ができる、というのはとても興味深い可能性です。生命は糖からできたのかもしれない、つまり、RNAワールド云々をするまえに宇宙に豊富な糖の存在が前提としてあって、糖を中心とするタイプの生命がまず最初にできた(RNAの中にも糖がはいっています)可能性すらでてくるわけです。今まで生命の起源の説明に糖を取り込む試みは少なかったのですが、糖鎖生物学者の多くは、RNAワールドより前の糖の形成にこそ、生命の起源を解くカギがあると確信していると思います。

ALMA望遠鏡の日本語サイトには動画ギャラリーもあり、研究者向けサイトととともに大変わかりやすく望遠鏡の全貌を紹介してくれています。本屋に山積みされていた本『スーパー望遠鏡「アルマ」の創造者たち』もおすすめです。ALMA望遠鏡の建設に日本の科学者たちが決定的な貢献をしているのがよくわかります。

註1:炭素が2つ入ってる糖が二炭糖、3つが三炭糖、4つが四炭糖、5つなら五炭糖、6つなら六炭糖です。英語では、di-が2の接頭辞、tri-が3、tetra-が4、penta-が5、hexa-が6の接頭辞ですから、それぞれdiose, triose, tetrose, pentose, hexoseというう名前となります。pentoseはペントースリン酸サイクルというのを生化学で習った人もいるかもしれません。ヘキソースもよく聞く言葉ではないでしょうか。

註2:単糖でアルデヒド基を含むものをaldose(アルドース)、ケト基をふくむものをketose(ケトース)と呼ぶことも覚えておくと良いと思います。glycolaldehydeはaldoseになります。註1とあわせると、aldotetroseとか、ketopentoseというのがどんな物質かがわかると思います。このようにketoseやpentoseに、炭素数を組み合わせた表現もよくみうけます。

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。

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。

 

糖鎖生物学入門―1

糖鎖生物学入門―1

今回から糖鎖生物学Glycobiologyについて、ゆっくり解説していきます。
生物の細胞の表面を眺めてみると、細胞膜の最外層、細胞が外界と最初に相互作用する領域(私は細胞膜のフロンティア領域と呼んでいます)には糖鎖sugar chainがびっしり存在しているのがわかります。たとえばここ やここにある、電子顕微鏡写真をご覧ください。
これらのリンクの写真にみられるように生物の細胞の表面は糖鎖でびっしり覆われています。これを糖衣glycocalyx(グライコ・ケイリクスと発音します。覚えておくとよいのですが、英語では単語の中にあるa という文字は「ア」と発音しないでアルファベットの読みそのままの「エイ」と発音する場合が多いです)と呼びます。細胞は糖のころもを着ているのです。糖衣は細胞の一番外側にありますから、外から細胞に感染するウイルスやバクテリアが最初に接触するのが糖衣の糖鎖です。細胞の最外層の糖鎖の創り出すパターンは、細胞の種類や状態を反映しており、糖鎖パターンが、その細胞のみかけを特徴づけているといってよいでしょう。隣の細胞やリンパ球、そして病原体であるウイルスや細菌が、まず第一に接触するのが細胞表面にある糖鎖です。糖鎖のパターンを認識して細菌やウイルスが好みの細胞に結合したり、病原性大腸菌O157の毒素(志賀毒素、あるいはベロ毒素とよばれています。赤痢菌の毒素と同じものもあります)が腎臓の細胞に結合したりします。もちろん糖鎖は病原体を呼び込むためにあるのではないので、細胞自身も糖鎖の配列を進化させることで、こうした細菌や細菌毒素、ウイルスに感染しないように進化しているわけで、病原菌や毒素、ウイルスと細胞表面糖鎖の共進化はこれからの面白い問題といえるでしょう。これから生命の第三の鎖ともいわれる糖鎖について学んでいきましょう。

タンパク質の多くには糖鎖がついています(糖鎖が付加(ふか)されているといいます)。ウイルス本体の外側に位置するタンパク質も同じで、ほとんどが糖鎖が付加したタンパク質(糖タンパク質)です。一般にウイルス感染は、細胞表面にある糖鎖にウイルスが結合するか、あるいはウイルス表面の糖鎖を細胞がくっつける事で成立します。

さて、この論文には、
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(16)30401-9
エイズウイルスに対する抗体ができにくい理由であるグリカンシールドの立体構造が述べられています。糖鎖がエイズウイルスのタンパク質部分を被ってバリアーをはっているというイメージですね。このバリアーがあるため、エイズウイルスに対する有効な抗体ができにくいということです。こういった糖鎖によるバリアをグリカンシールドglycan shieldと呼びます。下の図は上のCellの論文(Stewart-Jones et al., 2016, Cell 165, 813–826)
のGraphical Abstractからとったグリカンシールドの様子です。青や紫、緑の部分が糖鎖のグリカンシールドです。

ではこの論文があつかっているグリカンシールドの様子をブラウザで立体構造表示で観察してみましょう。タンパク質の立体構造のデータベースPDBにこの論文のエイズウイルス3量体(注1)に抗体が結合した複合体の立体構造が登録されています。そのうちの一つ、5FYJという名前で登録されている立体構造を見てみましょう。(ほかに5FYK, 5FYLも登録されているので比較してみてください) 以下のリンクをクリックしてブラウザで以下のページを表示してみてください。(表示させている動画が一番下にありますのでみてください)

https://www.rcsb.org/structure/5FYJ
上のリンクをクリックすると、左上に図が表示されています。その直下に3D Viewというのがありますね。その直後にあるStructure という単語をクリックしてください。するとブラウザの画面が変わって、立体構造が画面に表示されます。マウスを左クリックして動かすと立体構造が動くので、複合体の構造をくるくるまわして観察することができます。マウスホイールを回すと構造が拡大、縮小表示されます。またマウスの右クリックでオブジェクトを移動できます。
右側のメニューには、Assembly, Model, Symmetryなどと項目が並んでいます。Styleのプルダウン(初めはCartoonになっています)からSpacefillを選ぶと、スペースフィルモデルでの表示に変わります。Backbone、Surfaceなどいろいろ変えて表示がどう変わるか試してみてください。Ligandのところは、はじめはBall & Stickモデル表示になっています。これは糖鎖の部分を表示していますので、プルダウンからSpacefillを選んでみてください。またマウスを表示したい部分のところにあわせてそっと動かすと、その部分のアミノ酸名や糖の名前が表示されます。MANはαマンノース、BMAはβマンノース、NAGはN-アセチルグルコサミンのことです。

マウスの詳しい使い方はMouse controls documentationという部分をクリックすると表示されます。
以下は、立体構造を表示している動画です。
びっしり糖鎖が三量体のウイルスタンパク質表面に生えているのが実感できます。ナンテンの実のように赤いのが糖鎖です。

今回は、糖鎖のイントロと、糖蛋白質の立体構造をみるやり方の一つを説明しました。PDBは糖タンパク質にかぎらず様々なタンパク質の立体構造が集めてあるデータベースです。いろんな分子を表示してみると面白いです。

註1:3量体というのは、一種類の分子が3つ結合して複合体となり一体として働くものをいいます。2量体なら、2つ結合して一体として働く複合体のことです。エイズウイルスのこのタンパク質は糖鎖付加もされており、実際のウイルス上での状態を忠実に反映する3量体をつくるのに大変苦労したそうです。やっと安定な三量体ができたことから、グリカンシールドと抗体の関係なども解析できるようになり、立体構造もわかってきたそうです。

新しい私達の論文が公開されました―先天性グリコシル化異常症DPAGT1-CDGを線虫を使って研究するという論文です

先月投稿していた論文がアクセプトされて原稿がオンラインに掲載されました。Kanakiさんの修士論文の内容を主とした論文で、私達のCREST研究の成果を含めた論文です。Dejima君Matsudaさん、Murata君、Nomuraさん他 沢山の方々との共同研究の成果です。Oxford University Press発行の雑誌Glycobiologyを購読している方は是非ご覧ください。アブストラクトへのリンクは以下の論文のタイトルをクリックしてください。

UDP-N-acetylglucosamine-dolichyl-phosphate N-acetylglucosaminephosphotransferase is indispensable for oogenesis, oocyte-to-embryo transition, and larval development of the nematode Caenorhabditis elegans

糖鎖遺伝子の異常というのはアメリカ合衆国の人口の20%程度でみられるとされており、なんか具合が悪いと病院を訪れる患者さんや、100件近くの医療機関を訪れても原因がわからなかった患者さんのゲノム配列やmRNA配列をシークエンサーで調べてみると、糖鎖遺伝子の異常が原因であるということがわかったという例が頻出しています。それでアメリカでは糖鎖生物学者は病院、j研究所でひっぱりだこになっているということです。
今回の研究は先天性グリコシル化異常症CDG(congenital disorders of glycosylation)の原因遺伝子の一つでCDG-IjあるいはDPAGT1-CDGと呼ばれる病気の原因遺伝子DPAGT1の線虫での研究成果です。線虫でわかった結果をヒトの病気の解明に役立てようとする研究手法の実施例でもありますので是非ご覧ください。
先天性グリコシル化異常症についてはGoogle検索で「先天性グリコシル化異常症」といれてすぐにヒットする和田芳直先生の論文「先天性グリコシル化異常症CDGの分子診断」 (Proteomics Letters, 2017, 2, 1-6)をご覧ください。

私達の今回発表した論文ではヒトのN型糖鎖合成の第一段階ではたらく酵素DPAGT1の線虫版遺伝子algn-7を線虫で初めて同定し、遺伝子産物の酵素活性を確認、その遺伝子algn-7を阻害すると幼虫致死、卵母細胞形成異常、卵母細胞から胚への遷移(oocyte-to-embryo transition)が異常となることなどを報告しています。このDPAGT1遺伝子のノックアウトはマウスでは胚発生の初期での致死を引き起こしますが、お母さんマウスの体内でおこる死亡で詳しいことはなかなかわかりません。そこで線虫の登場となるわけです。
線虫は体が透明なので、発生していく卵母細胞などの様子が生きたまま観察できます。そこでこの研究では、この遺伝子の生殖巣での役割(幹細胞ニッチの形成から卵母細胞形成、そして受精)と初期胚分裂と幼虫期での役割を詳しく調べてみました。この遺伝子産物DPAGT1は従来日本で発見されてこの酵素を阻害する定番の薬であるツニカマイシンのターゲットとされてきましたが、ツニカマイシンはN型糖鎖の合成以外にも様々な副作用があります。実際 線虫で調べてみると、線虫でツニカマイシンを与えたときと、DPAGT1遺伝子を阻害したときとでは少々違った結果がでるのがわかりました。ツニカマイシンを使うより遺伝子そのものを阻害するのが一番確実です。線虫ではこの遺伝子の阻害がRNAiで強力かつ安定的に実施できます。そこで今回の研究ではDPAGT1遺伝子の機能をRNAiや遺伝子破壊で阻害したらどうなるかを詳しく調べた研究にもなっています。

このalgn-7遺伝子を阻害するとたしかにN型糖鎖の合成が抑えられることも確認できたので、さらに一歩すすめて生殖巣で発現しているどの「N型糖鎖がついているタンパク質」の阻害がalgn-7遺伝子の阻害でおこるのと同じ異常をひきおこすかも調べてみました。生殖系列で発現している遺伝子のリストとはすでに公開されています(RNA-Seqでの結果がすでに公開されています)。また線虫でN型糖鎖が付加されていることが実験的に確認されている遺伝子のリストもすでに公開されています(これもデータベースGlycoProtDBが公開されています。線虫、ヒト、マウスのデータがあります)、この二つのデータの胸痛部分456個の遺伝子をデータベース検索で選び出し、その遺伝子機能をRNAiで阻害した結果を調べてみました。その結果、同定できた5つの遺伝子は、algn-7の遺伝子阻害と同様の異常を引き起こします。これらの5つの遺伝子には、従来のCDGの原因遺伝子のほか、ごく最近にCDG遺伝子と同定されたもの、およびおそらくCDGでの異常症状の原因となる遺伝子ネットワークに関与していると推定されるものが含まれていることがわかりました。

  今まではN型糖鎖を阻害すると糖鎖付加が不十分なタンパク質が蓄積して小胞体ストレスが引き起こされてその結果、様々な表現型がでると漫然と考えられていましたが、小胞体ストレスはたいした影響は与えておらず、実はpatched遺伝子ネットワークなどいくつかの重要な遺伝子の機能阻害がCDGでの異常を引き起こしているのではないかと考察しています。是非、ご一読ください。

写真は先日 福岡市動物園に行ったときに撮影したお猿の子供たちの写真です。左上でブランコに上り初め、右で上まで到達。左下で下へとジャンプして落下し、右下で回転楕円体のような黄色の部分にのって遊んでいる一連の動きの写真です。朝早くでしたが元気にあそびまわっていて、子ザルの元気さがとてもよかったです。

 

糖鎖科学の最新のビデオの紹介です―NIH VideoCast

NIHのビデオキャスト糖鎖科学デーの講演会のビデオがアップロードされています。NIHのvideocastingはNIHで公開されている講演会をビデオでみられるサイトです。ビデオのダウンロードやキャプションファイル(字幕ファイル)のダウンロードもできます。
またNIHのpodcastもあってこちらでは、videocastとaudiocast が見たり聞いたりできますので携帯とかでみるのに便利です。

2018 NIH FDA Glycoscience Research Dayというのが、本年7月13日に開催されており、そのビデオです。この糖鎖科学の講演会と研究発表会の催しは去年も開催されており、そのビデオの内容は私の去年の九大での糖鎖科学の講義にも活用させてもらいました。今年はどんな内容なのか楽しみです。皆さんも是非ご覧ください。

ビデオはダウンロードすることができますし、画質も選べます。ビデオの掲載されているページにある下のようなリンクをクリックするとダウンロードできますので、やってみてください。このビデオは5時間ちょっとの講演会の記録になっています。英語が聞き取りにくい方は、キャプションファイルもダウンロードできますので便利です。

To download this event, select one of the available bit rates:
[64k]  [150k]  [240k]  [440k]  [740k]  [1040k]  [1240k]  [1440k]  [1840k]

生命科学系の英語の講演会のサンプルとしても使えますので、自分で英語で講演するときの参考にもどうぞ。またスライドがビデオにうつっていますが、高解像度のビデオをダウンロードすれば、字も絵もきわめて高画質でみられますのでとても便利です。この記事は高画質版をダウンロードしながら書いています。 (今終わりました。1.5Gのサイズだと40分弱かかりました。)

毎日暑いです。写真は車で夕方涼みにいったダムからみた博多湾です。ひぐらしが鳴いてとてもきれいな公園でした。

日本の糖鎖科学ロードマップが発行されました!

以前の記事(2018年5月9日)でお知らせしていた日本版の糖鎖科学研究のロードマップ
未来を創るグライコサイエンスー我が国のロードマップー」が完成して発行されました。6月初めに自宅に届いたのですが、入手法を問い合わせていたのでご案内が遅れました。入手法が公開されましたとの案内が今日届きましたのでお知らせしておきます。

日本糖鎖科学コンソーシアム(JCGG)のホームページ(→)から一冊1000円(送料はJCGGが負担)で購入できますので上のホームページのリンクから申し込んで是非ご覧ください。

糖鎖科学を学ぶ人、糖鎖科学の将来や応用を考える人、医学研究者や医療従事者、糖鎖に関心のある事業家など、糖鎖科学に関心のあるすべての方の必携の参考書です。英語版も以下のタイトルでSpringer-Natureから発行されます。
Glycoscience Application and Basic Science :Insights from Japan Consortium for Glycobiology and Glycotechnology

日本語で読めますのでまず日本語版を購入されることをお奨めします。

糖鎖生物学の最新の英語講義シリーズの紹介と、その他の面白いサイトの紹介です

このサイトですが、RSSフィードがこのブログページからしかでないというデフォルト設定でした。今日、プラグインをいれて、固定ページからもRSSフィードがでるようにしました。リンク集を今朝、すこし改訂して以下の記事のサイトもとりこみましたが(入れたばかりのリンクを赤い文字で表示してみつけやすくしました)、そうした固定ページへの変更もRSSフィードでわかるようになっているはずですので、是非、RSSフィードも使って訪問してくださるようお願いします。

さて本題です。ジョンズ・ホプキンス大学(Johns Hopkins大学)医学部で2018年におこなわれている糖鎖生物学の最新の講義Introduction to Glycobiology(英語の講義です)が面白そうです。ビデオが順次アップロードされており、みるだけで糖鎖生物学の基本と医学とのかかわりが勉強できます。有名なG. Hart先生やその他の先生が講義されておりシラバスがここにあります。是非聴講してみてください。

その他、リンク集には:
科学技術振興機構JSTのバイオサイエンスデータベースセンターのポータルサイトへのリンクも載せました。中にはいろいろ役立つサイトへのリンクがありますのでクリックして探してみてください。
たとえば、新着論文を紹介している、
ライフサイエンス新着論文レビュー
最新のレビュー記事をのせている、
ライフサイエンス領域統合レビュー
など参考になるリンクがあります。自分に役立ちそうなサイトをブックマークして使ってみてください。

またバイオ系の英語の書き方については以下のブログも参考になります。
http://bioenglish.hatenablog.com/

NCBI Bookshelfの紹介と、糖鎖生物学の教科書、糖鎖科学のロードマップの紹介です。

ランチョンセミナーでも紹介しましたし、またこのサイトのリンク集にもあげてありますが、NCBI Bookshelfには様々な生命科学の本がアップロードされており、自由にオンラインで読めたり内容を検索して読んだりできるので、勉強や研究にとても役立つ、活用できるサイトです。ストライアーの生化学(第5版)だのMolecular Biology of the Cellの古い版(第4版)などもありますので、本のタイトルを見るだけではなく、ページの一番上にある、キーワード検索ボックスを活用していろんな本を縦断検索してみてください。レポート作成や、新しい分野の研究のための予備知識の収集、セミナーや授業の準備などに大いに役立ちます。

私達の研究している糖鎖生物学の定番の教科書Essentialsof Glycobiologyの第3版(Cold Spring Harbor Press社、2017年発行の最新版です)がこのサイトにあるので、オンラインで無料で読むことが出来ます。編集者のEskoさんのカリフォルニア大学サンディエゴ分校のサイトには、この本の図(低解像度版)と図のパワーポイントスライドをダウンロードできるようにしてありますので、興味のある方は訪れてみてそこに書いてある著作権に留意した上でご利用ください。
糖鎖生物学は、アメリカでは研究のロードマップが公開され、集中的な予算投下で研究が猛烈に進んでいる分野です。アメリカの医療研究機関では糖鎖生物学の研究者がひっぱりだこで、人材不足になっているという話です。この糖鎖科学研究のロードマップ(Transforming Glycoscience
A Roadmap for the Future, National Research Council (US) Committee on Assessing the Importance and Impact of Glycomics and Glycosciences))もBookshelfに公開されていますのでご覧ください。pdf版もここからダウンロードできます。
これは日本語訳も発行されていますが、日本でも最新の研究成果をふまえたグライコサイエンスのロードマップが完成しており、ほどなく公開される予定です(私も執筆しています。英語版も発行されます)。