岐阜大学 生命の鎖統合研究センター(G-CHAIN)|応用生物科学部|大学院自然科学技術研究科|糖鎖生化学研究室(木塚研究室)

研究内容

N型糖鎖の枝分かれ構造の機能研究

図1. N型糖鎖の枝分かれ構造と生合成酵素、疾患との関連性

 当研究室では、タンパク質に結合したN型糖鎖の発現・機能・疾患との関わりを研究しています。中でも、糖鎖の枝分かれ構造に着目しています。
 N型糖鎖は、タンパク質の普遍的な糖鎖修飾で、様々な構造のバリエーションを持っています。特に、2から5つ程度の枝分かれ構造があることが特徴です。それぞれの糖の枝には固有の機能があり、特定の疾患に関わることがわかってきています(図1)。さらに、それぞれの枝にはタンパク質選択性があり、特定の枝を持った糖鎖は限られたタンパク質にしかつきません。ところが、それぞれの糖鎖の枝が機能を発揮する分子メカニズムや、タンパク質選択性が生み出されるメカニズムについてはほとんどわかっていません。
 当研究室では、枝分かれ構造の生合成を担う酵素(糖転移酵素)に着目して、これらの疑問に取り組んでいます。最終的には、これらの糖鎖が関連する疾患の治療につながることを目指しています。

アルツハイマー病を進行させるバイセクト糖鎖(bisecting GlcNAc)の研究

図2. (上) バイセクト糖鎖の構造と生合成酵素。
(下) アルツハイマー病のモデルマウスの脳に蓄積するアミロイドβ。
バイセクト糖鎖欠損マウスではアミロイドβが激減する。
(参考文献:Kizuka et al., EMBO Mol. Med., 2015)

N型糖鎖の枝分かれ構造の一つに、バイセクト糖鎖(bisecting GlcNAc)という構造があります(図2上)。この枝分かれを持った糖鎖は、アルツハイマー病の発症や進行と深い関係があることがわかってきました。アルツハイマー病の原因はアミロイドβと呼ばれるペプチドが脳に蓄積することですが、この糖鎖を欠損したマウスでは、アミロイドβが作られなくなって症状が軽くなることがわかりました(図2下)。それは、アミロイドβを作る酵素であるBACE1がこの糖鎖を持っており、BACE1の機能がバイセクト糖鎖によって正に調節されているためです。さらに、アルツハイマー病の患者の脳ではバイセクト糖鎖の発現量が増加していることから、この糖鎖はアルツハイマー病の進行に関与することが示唆されています。しかし一方で、バイセクト糖鎖によってBACE1の機能が分子レベルでどのように調節されているのか、またバイセクト糖鎖の持つ本来の生理機能が一体何であるのか、その多くは謎のままです。現在、バイセクト糖鎖のより詳細な機能の解析、およびバイセクト糖鎖を合成する酵素GnT-IIIの阻害剤の探索などを行っています。

がんと関連するその他の枝分かれ構造の研究

その他、がんと関連の深い枝分かれ構造についても研究を行っています。特に、GnT-Vと呼ばれる酵素が作る枝や、FUT8と呼ばれる酵素が作る枝分かれ構造について研究しています(図1)。主に、これらの酵素の活性や機能が調節される分子メカニズムについて、国内外の共同研究者と連携しながら研究しています。

糖のアナログを用いたケミカルバイオロジー研究

 当研究室のもう一つの大きなテーマは、化学の力を借りて糖鎖の機能を明らかにする研究です。糖鎖研究における今最も大きな問題の一つは、特定の糖鎖を見たり、糖鎖の機能を阻害することのできる手軽な化合物(研究ツール)がないことです。私たちは、化学の専門家と協力し、糖鎖の生物学研究に有用な新しい化合物を開発しています。特に、糖のアナログに着目して、これらの化合物を使って糖鎖生物学の疑問を解明するケミカルバイオロジーの研究を行っています。

糖鎖検出プローブの開発

図3. 新しいフコースアナログによる糖鎖の高感度検出
(参考文献:Kizuka et al., Cell Chem. Biol., 2016)

 糖鎖の研究をする上で、調べたい糖鎖を見ることは不可欠です。糖鎖を見るには、抗体やレクチンを使った手法が現在一般的ですが、私たちは、糖のアナログとクリックケミストリーを組み合わせて特定の糖鎖を検出する手法に着目しています。この手法をうまく使えば、細胞に糖アナログを添加するだけで簡単に糖鎖が検出できる可能性があります。一方で、この手法はまだ歴史が浅く、感度や特異性の面で問題が残されています。私たちはこれまでに、がんやCOPDと関連の深いフコース糖鎖を高感度に検出できる、新しいフコースアナログを開発しています(図3)。さらに、その他の糖鎖を検出する新しい糖鎖プローブの開発も行なっており、それらのプローブを使った創薬標的の探索や疾患の診断マーカーの開発を目指しています。

糖鎖の機能阻害剤の開発

図4. 新しいフコース糖鎖合成阻害剤
(参考文献:Kizuka et al., Cell Chem. Biol., 2017)

研究によって糖鎖がどのように疾患に関連するかがわかっても、そのプロセスを外から調節できなければ疾患は治療できません。また、特定の糖鎖の機能や疾患との関わりを明らかにするためにも、その糖鎖の機能を調節できる方法が必要です。すなわち、特定の糖鎖の機能を阻害もしくは高める化合物が有用となります。私たちは、特に糖のアナログに着目し、特定の糖鎖の機能を阻害する化合物の開発を行っています。これまでに、フコース糖鎖の生合成を選択的に阻害するフコースアナログを発見し、その作用メカニズムを明らかにしました(図4)。この化合物は、がん細胞の浸潤能を抑えるなど、細胞の性質を変化させることもわかっています。このように、新しい糖鎖の機能阻害剤の開発は、基礎研究と治療応用の両面に貢献すると考えられます。