研究の対象:生体膜

 動物や植物の細胞の外側は細胞膜で外界と仕切られています。また、ミトコンドリア、ゴルジ体と言った細胞内小器官も外膜により内外が区別されています。これらの膜を総称して生体膜と呼んでいます。

 生体膜は、その主構成成分である脂質が自己組織化して形成する二重膜構造を基本骨格としています。細胞を構成する生体分子において、核酸は4種類の塩基、タンパク質は約20種類のアミノ酸が基本単位ですが、生体膜は数百種類以上の脂質から構成されています。また、生体膜中の脂質組成は細胞種類により大きく異なり、また生物種によっても顕著に異なっています。他の生体分子に比べて、一体、どうしてこのような数多くの脂質が存在しているのでしょうか。脂質分子は合目的に分子集合体を形成することを考えると、何かその理由があるはずです。

自己集合系の一形態:二重膜

自己集合系の一形態:二重膜


 私達の研究の大きな特色は、温度、濃度と同様に圧力を生体膜研究の解析ツールとして使用していることです。温度や濃度のような変数は、伝播に拡散過程を含むため、到達の遅延、局所的な差違が起こるのとは対照的に、圧力はパスカルの原理で均一、等方的且つ瞬時に作用します。圧力は脂質膜にメカニカルな大きなゆらぎをもたらすので、その結果、常圧下では観測不能な現象や新規な現象が観測できます。膜作用性薬物(麻酔薬)の作用が圧力によって覚醒する現象(麻酔作用の圧拮抗)は、その代表例です。

 私達は、生体膜の関与した様々な生命現象(相変化、非二重膜形成、脂質ラフト、膜融合・膜分裂、麻酔作用機序など)の解明を目指し、主に生体モデル膜(脂質二重膜)を対象として生物物理学的手法あるいは界面科学的手法によるアプローチで以下のような研究テーマを実施しています。

 日本生物物理学会ホームページ内の研究紹介ページ(B-08:脂質膜の相転移B-09:脂質膜低分子相互作用)および学科ホームページ内のA1研究室の研究内容ページもご参照下さい。

研究内容の紹介

リン脂質−ステロール混合二重膜のミクロドメイン形成
概要
  生体膜中にはリン脂質の他にコレステロールに代表されるステロールも脂質成分として多量に含まれています。ステロールが膜中に含まれるとゲル相は柔らかくなり、他方、液晶相は逆に硬くなります。1990年代、スフィンゴ脂質とコレステロールに富む成分が膜内で分離して存在していることが確認され、脂質ラフトと名付けられました。これは、脂質とコレステロールはその混合組成により、膜内で側方相分離を起こしていることを示しています。現在では、脂質とコレステロールは膜中でミクロドメインを形成することがわかっています。このような脂質とコレステロール系の状態を解析するためには、その相挙動を規定することが重要となります。  脂質−コレステロール系の相挙動に対しては、これまで多くの研究者によってその解釈が試みられましたが、理論的相図を除き、実験的に正確な相図が得られておらず、未だ統一的な見解が得られていません。この理由は主としてコレステロール高濃度下における相転移点の決定が困難であることに起因しています。我々は相転移点を明確に決定するためには単独の測定方法ではなく、複数の測定方法に頼ることが有効であると考え、熱量測定で脂質アシル鎖間の配座変化を追跡し、他方、脂質分子の極性基近傍の変化をProdan蛍光法で観測することにしました。両方法から得られた結果を組み合わせて正確なジアシルPC−コレステロール系の温度−コレステロール組成相図の作成に成功し、六方格子に基づく膜内分子充填モデルを用いて両者のゲル相における混和性を解釈可能にしました。本成果はジアシルPC−コレステロール系の相図を実験から系統的に明らかにした例証であり、脂質−コレステロール系に特徴的な側方相分離(ミクロドメイン形成:ラフトの基盤)領域の明確な規定と、両分子の膜内分子充填を考えることにより、X線測定からは捉えることができない両者の膜内非混和性を説明することを可能にしました。現在は、異なる種類のステロールを用いて、研究を発展させています。
 
図9(Web)
 
図9 DPPC−コレステロール混合二重膜系の相図と膜内分子充填モデル

参考研究業績
1.
N. Tamai, M. Uemura, T. Takeichi, M. Goto, H. Matsuki, S. Kaneshina, A New Interpretation of Eutectic Behavior for Distearoylphosphatidylcholine-Cholesterol Binary Bilayer Membrane, Biophys. Chem., Vol. 135, No. 1-3, pp. 95-101, (2008).
2.
N. Tamai, T. Matsui, N. Moribayashi, M. Goto, H. Matsuki, S. Kaneshina, Cholesterol Suppresses Pressure-Induce Interdigitation of Dipalmitoylphosphatidylcholine Bilayer Membrane, Chem. Lett., Vol. 37, No. 6, pp. 604-605, (2008).
3.
N. Tamai, M. Uemura, M. Goto, H. Matsuki, S. Kaneshina, Lateral Phase Separation in Cholesterol/Diheptadecanoylphosphatidylcholine Binary Bilayer Membrane, Colloids Surfaces B: Biointerfaces, Vol. 65, No. 2, pp. 213-219, (2008).
4.
N. Tamai, S. Inazawa, D. Fujiwara, M. Goto, H. Matsuki, Thermotropic Phase Behavior of Binary Bilayer Membrane of Dipalmitoyphosphatidylcholine and Ergosterol, Chem. Lett., Vol. 41, No. 10, pp. 1087-1089, (2012).
5.
N. Tamai, T. Izumikawa, S. Fukui, M. Uemura, M. Goto, H. Matsuki, S. Kaneshina, How Does Acyl-chain Length Affect Thermotropic Phase Behavior of Saturated Diacylphosphatidylcholine-chloresterol Binary Bilayers?, Biochim. Biophys. Acta, Vol. 1828, No. 11, pp. 2513-2523 (2013).