多選択性アミノ酸トランスポーターファミリー:LATファミリー

薬物トランスポーター:多選択的基質認識の分子基盤
多選択性アミノ酸トランスポーター
ファミリー:LATフ
ァミリー
金井好克
アミノ酸トランスポーターにおける基質認識には,α-アミノ基,α-力ルボキシル基,および
側鎖の認識が要求されるため,その基質選択性は一般に狭いものとなる,しかし,輸送系Lト
ランスポーターは,アミノ酸類似薬物も含んだ比較的広い基質選択性を示す.これは,基質ア
ミノ酸側鎖の認識が疎水性相互作用を頼りに行なわれるため,構造の異なる多くの可能性があ
りうることによる.LATフ
ァミリーは輸送系Lトランスポーターを基本型とし,それに側鎖結
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合に関する電荷認識が加わり,基質選択性の多様性を獲得したと想定される.各メンバー間の
電荷認識の多様性に着目した構造機能相関の解析により,基質認識機序解明への手掛かりが得
られていくものと期待される.
トランスポーター
アミノ酸
薬物輸送
はじめに
1哺乳類のアミノ酸輸送システムは,基
酸分子の多様性を反映して,多
から構成されているD.一
質となるアミノ
1.LATフ
ァミリーの同定
種類のトランスポーター
見複雑なこのシステムも少数
の分子ファミリーから成り立っており,構
たトランスポーター分子が,輸
造的に類似し
送基質をオーバーラップ
1.アミノ酸輸送系
哺乳類のアミノ酸トランスポーターは,ア
させながら多様な基質選択性をつくり出している2}.ア
系(aminoacidtransportsysteln)と
ミノ酸トランスポーターは,そ
の基質認識に,α
培養細胞や膜標本を用いて研究がなされ,ア
の周辺の正電荷と負電荷(α-ア
ミノ基と α-カルボキシ
ル基)の認識と,側
するため,そ
鎖の認識を加えた3点
認識を必要と
れを満たす化合物の数は限られ,し
てその基質選択性は一般に狭いものとなる.し
のなかでも,輸
送系Lト
一炭素
たがっ
かし,そ
ランスポーターで代表される
LAT(L-typeaminoacidtransporter)フ
ァミリーは,多
様な側鎖をもつアミノ酸を受け入れ,L-ド
ーパやメルフ
ミノ酸輸送
して,1960年
ミノ酸分子
の多様性を反映してさまざまな輸送系が記載されてき
た1).そ
れらは,輸
送基質選択性とNa+依
存性により表
1のように分類されている.
アミノ酸トランスポーターの分子クローニングは,す
でに細胞膜のウイルス受容体(ウ
のための足場)と
イルスの細胞への感染
してクローニングされていた14回
通型の蛋白質が,Na+非
に相当するトランスポーター(cationicaminoacidtrans
質選択性を示す.本
porter1:CAT1)で
稿では,こ
の多選択性アミノ酸トラ
いて,そ
ァミリーにつ
の構造と機能的特徴について概説し,多
基質認識の成立の機序について考察したい.
Yoshikatsu
Kanai,
選択性
あることが1991年
たことに始まる2).そ
の後,CAT2∼4に
に明らかにされ
相当する塩基
性アミノ酸トランスポーターが同定され,CATフ
リーが確立された.CATフ
杏林大学医学部薬理学教室,科学技術振興事業団さきがけ研究21
Broad scope amino acid transporters
膜貫
依存性塩基性アミノ酸輸送系y+
ァランなどのアミノ酸類似薬物も輸送する比較的広い基
ンスポーターファミリーとしてのLATフ
代から
ァミリーは,本
ァミ
稿の主題で
E-mail:[email protected]
: LAT family
蛋白質
核酸
酵素Vol.46No.5(2001)
629
表1ア
ミノ酸輸送系と対応するトランスポーター
トランスポーターの発見である
(図1).こ
のヘテロ2量
体型トラ
ンスポーターの同定は,そ
ユニットとなる1回
のサブ
膜貫通型蛋白
質がアミノ酸輸送活性化因子とし
て発見されたことが契機となっ
た.
2.1回膜貫通型アミノ酸輸送活
性化因子の同定
腎由来のポリ(A)+RNAをXeno
pus
卵母細胞に発現させると,シ
スチン,塩
基性および中性アミノ
酸の高い取込み活性を示す.こ
の
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取込み活性を指標に腎cDNAラ
イブラリーのスクリーニングが行
なわれ,Xenopus卵
母細胞のアミ
ノ酸取込みを充進させる因子とし
て,rBAT(relatedtob0,+amino
acidtransporter;輸
連因子)が
は,多
送系b0,+関
単離された2).rBAT
数回の膜貫通構造をもつ一
般のトランスポーターと異なり膜
貫通部位を1つ
1),加
しかもたず(図
えてXenopus卵
の発現系(た
母細胞以外
とえばCOS-7細
胞)
ではアミノ酸取込み活性を誘発し
ないことから,そ
あるLATフ
ァミリーとともにSLC(solutecarrier)7フ
ァミリーを形成する.CAT1の
Na+依
同定に続き,1992年
存性酸性アミノ酸輸送系X-A,Gに
スポーターではなく,ト
に
相当するグルタ
rBATの
同定に伴い,す
として知られていた1回
定され,さ
抗原重鎖:CD98)が,rBATと
アミノ酸輸送系ASCに
存性中性
相当するトランスポーターがク
ローニングされた3).ま
た,同
時期に γ-アミノ酪酸ト
ランスポーター類似の蛋白質として,Na+依
存性のプロ
ランスポーターの活性化因子と
して位置づけられた.
ミン酸トランスポーターが発現クローニングによって同
らにその類縁蛋白質として,Na+依
子量85K以
膜貫通型蛋白質4F2hc(4F2
有意な相同性を示す(ア
ミノ酸レベルで約30%)こ
は,分
でにリンパ球の活性化抗原
とが明らかになった2).4F2hc
下の糖蛋白質であり,モ
を受けない約40Kの
ローニングされ,1991年
フィド結合により連結して,ヘ
に第一次のアミノ酸
トランスポーターのクローニングラッシュを迎えた2).
その後しばらくは,分
いたが,1998年
になり再び新たな展開をみせた.そ
契機となったのが,ヘ
630
蛋白質
核酸
テロ2量
の
体構造をとる輸送系L
酵素Vol.46No.5(2001)
蛋白質(4F2抗
とが知られていた,4F2抗
子的実体解明の研究は停滞して
ノクローナ
ル抗体によって初めて見いだされた当初から,糖
リントランスポーターとグリシントランスポーターがク
∼1993年
れ自身はトラン
原軽鎖)と
テロ2量
原は,細
ジスル
体を形成するこ
胞の活性化や腫瘍
細胞増殖とのかかわりが示唆されてきたが,4F2抗
軽鎖の実体が不明だったため,そ
付加
原
の機能的役割は明ら
かにされないままであった.4F2hcにrBATと
の相同
4.ヘテロ2量体型アミノ酸トランスポーター
LATIの
同定を契機に,LAT1と
白質として,4F2hcと
ー数種と
,rBATと
類似構造をもつ蛋
連結するアミノ酸トランスポータ
連結するアミノ酸トランスポーター
1種がつぎつぎに明らかにされ,ヘ
テロ2量
酸トランスポーターからなるLATフ
れた8)(図3).LATフ
体型アミノ
ァミリーが確立さ
ァミリーのメンバーには,中
ミノ酸選択的な輸送系L(LAT15∼7)お
性ア
よびLAT29,10)),
小型中性アミノ酸に選択性のある輸送系asc(Asc-1)11),
中性および塩基性アミノ酸を輸送する輸送系y+L(y+
LATIお
よびy+LAT2)12・13),シ
スチンおよびグルタミ
ン酸を基質とする輸送系x-c(xCT)M},シ
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図1ヘ
テロ2量
膜貫通型のLATフ
ァミリートランスポーターとジスルフィド結合を介して連結し,
ヘテロ2量体を形成する .
別名b0,+AT)15,16)に
相当するトランスポーターが含ま
れる.こ
送系L,y+L,asc,x-cは,LAT1
のうち,輸
と同様に4F2hcと
b0,+はrBATと
性があることにより,4F2hcのXenopus卵
現実験が行なわれ,4F2hcがrBATと
基
性および中性アミノ酸を輸送する輸送系bo・+(BAT1,
体型アミノ酸トランスポーター
1回膜貫通型蛋白質4F2hcとrBATは,12回
スチン,塩
母細胞への発
同様にXenopus
ヘテロ2量
ヘテロ2量
体を形成するが,輸
送系
体を形成することによって機
能する(図3).4F2hcとrBATは,そ
れぞれが特定のト
ランスポーターと連結し,ト
ランスポーターを細胞膜へ
卵母細胞のアミノ酸取込みを活性化することが明らかに
移行させるシャペロン様蛋白質である6,16).一般の細胞
された4).こ
では,4F2hcの
こに,4F2hcとrBATが,1回
膜貫通型ア
みが存在するが,腎
尿細管上皮や小腸上
ミノ酸輸送活性化因子として確立され,両者ともに未知
皮などの極性細胞には両者が存在し,4F2hcは上
の膜蛋白質とヘテロ2量
の血管側の細胞膜に,rBATは
体を形成し,ア
ミノ酸トランス
ポーターを構成するという作業仮説が設けられた(図
ている2).し
1)2).
胞膜へ,rBATは
皮細胞
管腔側の細胞膜に存在し
たがって,4F2hcは
上皮細胞の血管側の細
管腔側の細胞膜ヘトランスポーターを
移送する働きをすると考えられる.
3.4F2hcと
連結するトランスポーターの同定
1回膜貫通型アミノ酸輸送活性化因子と連結するトラ
ンスポーターの探索のために,4F2hcと
マ細胞cDNAラ
イブラリーのXenopus卵
1.多選択性アミノ酸トランスポーターLAT1
パートナーとして,中性アミノ酸トランスポーターLAT
1がクローニングされた51.LAT1は,4F2hcと
を輸送する輸送系Lの
512ア
ことが示され,LAT1が
アミノ酸輸送系Lは,分
共発現
依存性に大型の中性アミノ酸
活性を示す(図2a).LAT1は
ミノ酸残基からなる疎水性の蛋白質であり,糖
加を受けず,4F2hcと
付
原軽鎖に相当す
るものであることが明らかにされた(図2b,c)5∼7).
酸などのbulkyな
枝アミノ酸や芳香族アミノ
側鎖をもった中性アミノ酸をNa+非
依存的に輸送するトランスポーターであり,個
々の細胞
に栄養としてのアミノ酸を供給する目的のほか,脳
ジスルフィド結合により連結する
古典的4F2抗
ァミリーの基質選択性の多様性
母細胞への共
発現による機能発現クローニングが行なわれ,4F2hcの
させることにより,Na+非
II.LATフ
ラットグリオー
毛細
血管内皮細胞や胎盤の合胞体栄養細胞(syncytiotro
phoblast)な
どに存在し,血
液・脳関門や胎盤関門にお
ける上記アミノ酸の透過を担当している1).ア
ミノ酸類
似薬物であるレドーパ,α-メ
チルドーパ,gabapentin
の透過経路としても知られ,さ
らにバクロフェン,メ
ファラン,甲
ル
状腺ホルモンなどを受け入れるとされ,薬
蛋白質核酸酵素Vol.46No.5(2001)
631
図2LAT1と4F2hcに
よる機能性トランスポーターの形成
(a)LAT1と4F2hcの
共発現実験,Xenopus卵
母細胞に発現さぜ,14C-ロイシ
ンの取込みを測定した,共発現により大きな取込み活性がみられる.対照として水
を注入した卵母細胞(水),LA丁1の
を発現さぜた卵母細胞(4F2hc),共
(b)invitro翻
みを発現させた卵母細胞(LAT1),4F2hcの
発現させた卵母細胞(LAT1&4F2hc)の
訳による糖付力口
の検討4F2hcに
関しては,invitro翻
み
比較,
訳により,
分子量65Kの
蛋自質が得られ,これは,ミクロソームの存在下で糖付加を受け,
78Kに移動する(右図).これは,エンドグリコシダーゼH(EndoH)に
より,糖鎖
が除去され65Kに
戻る(右図).この反応条件下で,LAT1に
関しては44Kの
蛋白
質が得られ,これはミクロソームの存在下でもサイズの移動がなく,LAT1は
糖付
加を受けないことが示される(左図),(c)ウエスタンブロットによる両者の連結の
検討.非還元条件下(2ME-:2-メ
ルカプトエタノール非存在下)では,抗LAT1
抗体(左図),抗4F2hc抗
体(右図)ともに125Kの
バンドを認識するが,還元条件
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下(2ME+:2-メ
ルカプト工タノール存在下)では,それぞれの抗体は,それぞれ
の蛋白質の単量体に相当するバンド(LAT1:38K,4F2hc:85K)を
認識する.
LAT1と4F2hcは,ジ
スルフィド結合を介して連結することが示される.
図3SLC7フ
ァミリーの系統樹
輸送系y+Lasc,Lx-c,b0.+に
相当する
トランスポーターを含むLATフ
ァミリ
ーは
,4F2hcあ
るいはrBATと
いった1
回膜貫通型蛋白質とヘテロ2量体を形成
することによって機能する.輸送系y+
に相当するトランスポーターからなる
CATフ
ァミリーは,単一の蛋白質で機
能する.数値はアミノ酸配列の相同性を
示す,
選択性を示す9,10).LAT2と
物トランスポーターとしても関心がもたれてきた.
単離された輸送系Lト
ソフォームであるLAT1は,ロ
ランスポーターの第1の
イシン,イ
アイ
ソロイシン,
高い相同性を有するAsc-1
は,小型のアミノ酸を選択的に輸送する基質選択性を示
す11).類似構造をもつLAT1,LAT2,Asc-1に
興味深
バリン,フェニルアラニン,チロシン,トリプトファン,
い基質選択性の移行がみられ,基結合部位の解析に有用
メチオニン,ヒ
な情報が与えられる.
Na+非
す5).こ
LAT1の
スチジンといった大型の中性アミノ酸を
依存的に輸送する古典的な輸送系Lの
れに対して,第2の
活性を示
アイソフォームLAT2は,
基質である大型の中性アミノ酸に加え,小型の
アミノ酸も含めた中性アミノ酸全般を輸送する広い基質
632
蛋白質
核酸
酵素Vol.46No.5(2001)
LAT1の
基質認識の機序を明らかにするために,ど
のような化合物がLAT1を
介するアミノ酸の取込みに
競合的に作用するかを検討した.そ
化やエステル化されたアミノ酸は,基
の結果,N-メ
チル
質としての活性を
失うことから,基
質となるためには α-アミノ基と α-カ
ルボキシル基が必要であることが明らかになった(図4
a).さ
らにLAT1の
基質認識には,側
要な要因となると考えられる.こ
水性のbulkyな
鎖の疎水性が重
れは,LAT1が,疎
側鎖をもつアミノ基を好むこと,そ
し
てチロシンよりレドーパのほうが親和性が低く,また3O-メ
チルドーパは,L-ド
ーパよりも親和性が高くなる
ことから支持される(図4a).さ
らに,α-メ
チルドーパ
や α-メチルチロシンも受け入れることから,α-炭
素周
辺には α-メチル基を受け入れる空間的余裕があると考
えられる(図4a).
LAT1は,前
述のようにL-ド
ーパ,α-メ
チルドーパ,
α-メチルチロシンを輸送するほか,gabapentinも
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基質とし,こ
輸送
れらの薬物の細胞膜の透過経路となる(図
4a).gabapentinは,α
合物で,LAT1の
一アミノ酸の構造をもたない化
基質結合部位に受け入れられる唯一
の化合物である(図4b).こ
れは,gabapentinの
に存在する環状構造のため,gabapentinの
カルボキシル基が,α-ア
分子内
アミノ基と
ミノ酸の α-アミノ基と α-カ
ルボキシル基に相当する空間的位揖にくるためであると
考えられている.ま
た,LAT1を
ミノ酸の構造をもち,チ
介する輸送は,α-ア
ロシンを基本構造とする甲状腺
ホルモンやフェニルアラニンを基本構造とする抗腫瘍薬
メルファランにより,強く抑制される(図4b).し
かし,
甲状腺ホルモンとフェニルアラニンの輸送活性はきわめ
て低く,こ
れらが基質結合部位に受け入れられながらも
輸送活性が低いことは,そ
なのか,あ
れらの側鎖が大きすぎるため
るいは疎水性が高すぎるためなのか,今
後の
検討が必要とされる.
LAT1は
最近,血
内皮細胞に4F2hcと
液・脳関門を構成する脳毛細血管
ともに存在することが示され,血
液・脳関門トランスポーターとして位置づけられた(図
5)17).ま
た,LAT1は
誘導型のアイソフォームであり,
図4ア
ミノ酸類似化合物のLAT1へ
の作用
リンパ球の活性化,ホ
ルモンによる刺激などにより高度
(a)LAT1をXenopus卵
に発現が誘導され,さ
らに腫瘍細胞において高発現する
μM)の取込みに対する非標識アミノ酸類似化合物(2mM)添
ことから,細
胞の需要に見合ったアミノ酸供給を達成す
るために,発
現が調節されるトランスポーターであると
影響を検討した.LAT1を
(Dopa),3-0..メ
ァミリーに属するLAT1,LAT2,Asc-1は,
LAT1の
中性アミノ酸を選択的に輸送するトランスポーターであ
るが,前
加の
ーパ
チルチロ
チルドーパ(α-MeDopa),gabapen-
よって有意に抑制された,N-Me-Phe:N-メ
ルアラニン,Phe-Me:フ
LATフ
イシン(20
介するロイシンの取込みは,L-ド
チルドーパ(3-0-MeDopa),α-メ
シン(α-MeTyr),α-メ
tinに
考えられる3).
母細胞に発現させ,i4C-ロ
チルフェニ
ェニルアラニンメチルエステル.(b)
基質結合部位に受け入れられるアミノ酸類似構造をもつ
薬物.
述のようにいずれも基質選択性が広いことが特
徴であり,と
くにLAT1の
基質結合部位は,ア
ミノ酸
蛋白質
核酸
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633
2.輸送系y+Lの無機イオンに依存した基質選択性の拡張
LATフ
ァミリーに属するy+LAT1とy+LAT2は,
輸送系y+Lの
機能的性質を有するトランスポーターで
ある12,13).輸送系y+Lは,塩
基性アミノ酸と中性アミ
ノ酸の一部(ロイシン,イ
図5血
液・脳関門におけるLAT1の
ラット脳におけるLAT1(A)お
LAT1,4F2hcと
存在
よび4F2hc(B)の
を輸送する18).輸
送系y+Lに
酸の輸送はNa+に
依存しないが,中
はNa+に
免疫組織化学,
もに,血液・脳関門を構成するラット脳毛細血
7)18).LATフ
ルタミンなど)
おいては,塩
ァミリーは,基
基性アミノ
性アミノ酸の輸送
依存するという奇妙なNa+依
存性を示す(図
本的にはNa+非
管内皮細胞に共存することが示される,両者ともに,内皮細胞の
ランスポーターのファミリーであるので,こ
管腔側および脳側の細胞膜に存在する(図中の矢じり),
y+LのNa+依
存性は,き
輸送系y+Lの
Xenopus
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ソロイシン,グ
第1の
依存性ト
の輸送系
わめて例外的である.
アイソフォームy+LAT1を,
卵母細胞に発現させてNa+の
効果を検討したと
以外に甲状線ホルモンやメルファランのような大型の側
ころ,Na+は
鎖をもつアミノ酸類似化合物も受け入れる.この広い基
高めるとともに,実際に中性アミノ酸とともに輸送され
質選択性は,LATlに
よる基質認識が,α-炭
ることが明らかになった18).塩基性アミノ酸の輸送には
正電荷と負電荷(α-ア
ミノ基と α-カルボキシル基によ
る),お
素周辺の
Na+は
中性アミノ酸の基質結合部位への親和性を
まったく関与しない.し
たがって,y+LAT1の
よびある程度の大きさをもった疎水性基(中性ア
基質結合部位は,基本的には側鎖に正電荷をもつアミノ
ミノ酸やその類似化合物の側鎖による)の三者の認識に
酸(塩基性アミノ酸)を受け入れるための構造をしている
より行なわれることによる(図6a).こ
と考えられる(図6c).中
の要請を満たす
性アミノ酸に対しては,Na+
化合物は,疎水性側鎖にさまざまなものが可能であるこ
がおそらく塩基性アミノ酸側鎖の正電荷の代役をし,基
とから多種存在するため,広
質結合部位においてNa+と
い基質選択を示すことにな
る.
アミノ酸が,塩
共存することにより,中性
基性アミノ酸として認識され基質結合部
位に受け入れられると考えられる(図6d).興
とに,y+LAT1はNa+の
味深いこ
みでなく,H+やLi+も
図6LATフ
受け入
ァミリーの基質認識の
機序
輸送系Lx-c,y+Lの
基質認識機序の比
較,輸送系Lは,疎
水性側鎖を認識す
る基質結合部位をもち(a),こ
れに負電
荷認識部位が加わり輸送系x-cが
したと考えられる(b),輸
成立
送系y+Lは
、
基質アミノ酸側鎖認識部位が正電荷を受
け入れるような構造をもち,したがって
塩基性アミノ酸の認識にはNa+を
としないが(c),中
H+,あ
必要
性アミノ酸はNa+,
るいはLi+と共存することによ
り基質結合部位に受け入れられる(d).
634
蛋白質核酸酵素Vol.46No.5(2001)
y+LAT1に
る1価
おいては,中
性アミノ酸の輸送と共役す
陽イオンの見かけ上の親和性は,H+>Li+>Na+
》K+の
順である.Na+/グ
においても,Na+の
ルコーストランスポーター
非存在下でも低レベルのグルコース
の取込みを示すことから,H+がNa+の
代わりをしうる
ことが明らかにされた20).そこにおいても,親和性はH+
のほうがNa+よ
り高く,両者は興味深い共通性がある.
また,Na+依
存性酸性アミノ酸輸送系X-A,Gに
るグルタミン酸トランスポーターや,そ
をもつNa+依
は,Na+の
図7輸
送系y+Lを
介するアミノ酸の取込み
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のNa+受
母細胞に発現させ,14C-ロイシンおよ
び14C一リシンの取込みに対するNa}の
の取込みは,Na+に
影響を検討した.ロイシン
依存するが,リシンの取込みはNa+の
影響されない.□:y+LAT1発
現卵母細胞,□:対
有無に
照(y+LAT1
おいて
合部位と,Na+の
みでなく
合部位が存在する21).y+LAT1
容部位の性質は,無
性の低いNa+結
相当する
よびASCT2)に
みに特異的なNa+結
Li+も受け入れるNa+結
y+LATIをXenopus卵
れと類似の構造
存性中性アミノ酸輸送系ASCに
トランスポーター(ASCT1お
相当す
機陽イオンに対する選択
合部位の性質に類似している.分
化の過程でNa+非
子進
依存性トランスポーターからNa+依
存性トランスポーターが成立したと想定したとき,y+
非発現卵母細胞),
LAT1は,そ
の両者をつなぐ重要な手掛かりを与えて
くれるものと思われる.
れる18).し
たがって,y+LAT1の
合部位は,正
特定の1価
基質アミノ酸側鎖結
電荷をもつ塩基性アミノ酸側鎖,あ
無機陽イオンを伴った中性アミノ酸側鎖を受
け入れると結論できる(図6c,d).Na+の
ても,y+LAT1の
ノ酸は,前
るいは
存在下であっ
基質結合部位が受け入れる中性アミ
述のように少数のもの(ロ
イシン,イ
ソロイ
y+LATIの
一見奇妙なNa+依
存性は,y+LATlが
尿細管や小腸からの塩基性アミノ酸の吸収(経上皮輸送)
において,上
皮細胞の血管側膜の塩基性アミノ酸の出口
として機能するための重要な性質となっている.塩
アミノ酸は,分
基性
子全体として正電荷を帯びているため,
負電位の細胞内から細胞外へ出るためには,電
シン,グルタミンなど)に限られる18).これは,y+LAT1
に逆らって輸送されなければならない.y+LAT1は
の側鎖結合部位の正電荷認識部位が,α
換輸送体(exchanger)で
一炭素からそれ
腎
気的勾配
交
あり18),細胞内ではNa+濃
度が
ら基質となる中性アミノ酸側鎖の長さに相当する距離に
低いため,基
あることを想像させる.
そのため塩基性アミノ酸が選択的に受け入れられる.こ
輸送系y+に
通型のNa+非
相当するCATフ
ァミリーは,141司
依存性塩基性アミノ酸トランスポーター
からなるが,LATフ
ァミリーと類似の構造をもち(30%
程度の相同性),LATフ
ァミリーとともにSCL7フ
ミリーを形成する(図3),CATフ
ポーターは,LATフ
ァミリーとは異なり,単
送するが,興
テインをNa+の
れは,類
れに対して細胞外では,十
一の蛋白
ァミリーのトランス
述のように塩基性アミノ酸を選択的に輸
味深いことに中性アミノ酸のうちホモシス
分Na+濃
度が高く,中
性ア
ミノ酸も塩基性アミノ酸も同程度に受け入れられるた
め,こ
ァ
ァミリーのトランス
質で輸送機能を発揮する.CATフ
ポーターは,前
膜貫
質結合部位に中性アミノ酸を結合できず,
の交換輸送体を介して,細
胞内の塩基性アミノ酸
と細胞外の中性アミノ酸および塩基性アミノ酸が交換さ
れることになる.し
たがって,総
体として塩基性アミノ
酸が細胞外に出ることになる.y+LAT1の
遺伝的欠損
は蛋白質不耐性リシン尿症を発症することからも,こ
の
トランスポーターの塩基性アミノ酸再吸収における重要
性が理解される22).
存在下で基質として受け入れる19).こ
似の構造をもち,基
本的にはともに塩基性アミ
ノ酸のトランスポーターであるy+とy+Lの
位の構造の類似性を示唆するものである.
基質認識部
3,輸
LATフ
送系x-cと
輸送系b0'+
ァミリーには,さ
示すxCTと,BAT1(別
らに異なった基質選択性を
名b0,+AT)が
蛋白質核酸酵素VoL46No.5(2001)
ある.xCTは
635
4F2hcと
連結するトランスポーターであり,輸
に相当する基質選択性を示す14).す
送系x-c
なわち,xCTは
ることにより輸送系y+(CATフ
シ
らに無機陽イオンを伴った一部の中性アミノ酸側鎖も受
スチンとグルタミン酸を輸送基質とする交換輸送体であ
け入れられる形で正電荷認識部位が形成され輸送系y+L
り,通
が作られ(図6c,d),中
常は細胞内のグルタミン酸を放出し,細
スチンを取り込む形で機能する.細
シスチンは,シ
胞外のシ
残しながら正電荷認識部位が形成されることにより輸送
ステインに還元されグルタチオン生成の
系b0,+が成立したと考えることができる.酸性アミノ酸
発現は細胞への酸化的ストレス付
加により誘導され,xCTは
酸化的ストレスに対する細
スチンおよび酸性アミノ酸であるグルタ
ミン酸およびL-α-ア
を輸送する輸送系x-cは,輸
送系Lの
側鎖結合部位に
負電荷認識部位が形成されることにより成立したと想定
される(図6b).
胞保護因子として位置づけられるLP.
xCTは,シ
性アミノ酸に対する親和性を
胞内に取り込まれた
基質となる.xCTの
すでに述べたように,側鎖認識に電荷認識が要求され
る輸送系y+Lや
ミノアジピン酸を基質とするが,
アスパラギン酸の輸送活性は低い14).し
Database Center for Life Science Online Service
ァミリー)が成立し,さ
たがって,xCT
輸送系x-cに
おいては,そ
の基質選択
性から,それらの側鎖結合部位の電荷認識部位は,α-
の側鎖結合部位の負電荷認識部位は α-炭素から一定の
炭素から.一定の距離にあると考えられる。したがって,
距離にあり,グ
電荷をもった酸性アミノ酸残基や塩基性アミノ酸残基
ルタミン酸とより側鎖の長いL-α-ア
ミ
ノアジピン酸は側鎖末端の負電荷はそれと相互作用でき
が,電荷認識部位を構成している可能性が考えられ,
るが,ア
LATフ
スパラギン酸は側鎖が短いために受け入れられ
ないと考えられる(図6b).ま
た,シ
スチンは分子内の
2つのカルボキシル基間の距離が,xCTの
性アミノ酸のそれと同程度であり,カ
基質となる酸
ルボキシル基の1
つが側鎖結合部位に受け入れられることにより,シ
ンはxCTに
スチ
より酸性アミノ酸として認識されて輸送さ
相当するBAT1は,い
れているLATフ
rBATと
ままでに同定さ
ァミリーのメンバーのうちで,唯
一
連結するトランスポーターである15・16).BAT1
は,シ
スチン,塩
の遺伝的欠損は,腎
尿細管か
らのシスチン再吸収障害であるシスチン尿症を発症す
送系y+Lと
同様,塩
基性および中性アミ
ノ酸を輸送する基質選択性を示すが,輸
異なり中性アミノ酸の輸送にNa+を
y+Lと
送系y+Lと
要求せず,輸
は
送系
は異なった側鎖認識を行なうと考えられる15).
4.LATフ
ァミリーの基質選択性の多様性はどのようにし
て成立したか?
LATフ
れるものと期待される.
生体内での低分子化合物と蛋白質の相互作用の原形
は,疎水性低分子化合物の,蛋
白質分子の疎水性ポケッ
トへの疎水性相互作用を介する結合であると考えられ
くの疎水性薬物が血漿蛋白質であるアル
ブミンと結合して存在することを一例とし,生体内でみ
られるいわゆる非特異的反応の一
つである.この場合,
蛋白質分子の疎水性ポケットは,そ
基性および中性アミノ酸を輸送するト
ランスポーターであり,そ
る16).また,輸
が,側鎖の電荷認識部位の同定に有用な情報を与えてく
る.これは,多
れると考えられる(図6b).
輸送系b0,+に
ァミリーのメンバー間でのアミノ酸配列の比較
の “基質 ”認識を化
合物との疎水性相互作用のみに頼るため,そ
とになる.
疎水性相互作用にさらに単一電荷の認識が加わったも
のが,次
の段階の基質認識機構となる.こ
れは,有機ア
ニオントランスポーターファミリーや有機カチオントラ
ンスポーターファミリーにみられ,そ
れぞれ疎水性相互
作用と負電荷あるいは正電荷の認識により基質認識が行
なわれる(本特集他稿参照).こ
の場合,蛋
白質分子と低
分子化合物の電気的相互作用を伴うため,蛋
ァミリーとCATフ
ァミリーからなるSLC7
の対象とな
る化合物は多く,きわめて広い"基質"選択性を示すこ
白質分子に
コンフォメーション変化を効率よく起こすことが可能に
ファミリーは,疎水性側鎖と基質結合部位の相互作用を
なる.単一電荷の認識の場合,疎
基質認識に要求する輸送系L(LAT1お
ら構成される化合物は多数存在するため,この場合も広
基本型とし(図6a),他
よびLAT2)を
のトランスポーターがそれから
派生したと仮定すると,多様な基質選択性の成立に対す
るひとつの解釈が与えられる.す
なわち,輸
送系Lの
側鎖結合部位の特定の箇所に正電荷認識部位が形成され
636
蛋白質
核酸酵素Vol.46No.5(2001)
水性部分と単一電荷か
い基質選択性を示すことになる.
さらに,α-炭
素の周辺の正電荷と負電荷(α-アミノ
基と α-カルボキシル基)の認識と,側鎖の認識といった
3点認識が成立すると,この条件を満たす化合物はアミ
ノ酸に限られ,ア
る.LATフ
ミノ酸トランスポーターが形成され
ァミリーのLAT1お
よびLAT2に
7)
おいて
は,側鎖認識が低分子化合物/蛋白質相互作用の原形で
ある疎水性相互作用を頼りに行なわれており,そのため
8)
9)
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Pineda,
M., Fernandez,
ァミリーでは,これに側鎖結合に関する電荷認識が加え
Takeda,
Endou,
19745-19751
11)
おわりに
H., Kanai,
(1999)
Fukasawa,
Y. : J. Biol.
のアミノ酸を細胞が栄養素として均等に取り込むという
Biol. Chem.,
12)
れは,α
一炭素周辺の
Chem.,
り実現された.LATフ
ァミリーの成立によ
16)
は多数存在し,多選択性が実現される .LATフ
メンバー間のアミノ酸配列の違いに着目
いくと期待される.
1)
2)
3)
4)
5)
6)
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19)
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Grunewald, M., Kanner, B. I.: J. Biol. Chem., 270,17017-
した構造機能相関の解析が可能であり,この方向性の研
究により基質認識の機序も解明への手掛かりが得られて
E.,
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Takeda, E., Endou, H. : J. Biol. Chem ., 275, 20787-20793
,構造的に類似した各メンバー問に,側鎖
を利用して,各
Fernandez,
A., Palacin,
Matsuo,
ァミリ
の電荷認識に関して際立った多様性があるが ,この特徴
J., Shi, Y.-B., Zorzano,
17)
認識の重要な要素となっていると考えられ,この基質認
ーにおいては
R., Pineda , M.,
274,11455-11458(1999)
いても,負電荷の認識とともに,疎水性相互作用が基質
識の要請事項の単純さのためにその条件を満たす化合物
Estevez,
Sato, H., Tamba,
15)
ァミリー(本特集他稿参照)にお
H., Cha, S. H., Endou , H., Kanai, Y. : J.
14)
もともとは疎水性側鎖と側鎖結合部位の疎水性相互作用
ポーターであるOATフ
E.,
Pfeiffer, R., Rossier, G., Spindler , B., Meier, C., Kuhn, L.,
Verrey, F.: EMBO J., 18,49-57 (1999)
ァミリーは,前述したように,
により側鎖認識が行なわれる輸送系Lトランスポータ
ーを基本型とすると考えられる.有機アニオントランス
274,
13)
正電荷と負電荷の認識を必須の要請事項とし,側鎖認識
に多くの可能性をもたせたLATフ
Chem.,
M. : J.
275, 9690-9698 (2000)
D.,
Lloberas,
目的は,基質選択性の広いアミノ酸トランスポーターの
存在により容易に達成される.こ
Torrents,
A., Palacin,
Y., Segawa, H., Kim, J. Y., Chairoungdua , A.,
Kim, D. K., Matsuo,
アミノ酸は細胞にとって必須の栄養素であり,多種類
J., Zorzano,
R., Lopez,
Biol. Chem., 274,19738-19744 (1999)
Segawa, H., Fukasawa, Y., Miyamoto, K.,
10)
M., Lloberas,
D., Estevez,
中性アミノ酸に対する広い基質選択性を示す.SLC7フ
られ基質選択性が多様化していったと想定される.
Database Center for Life Science Online Service
E., Torrents,
C., Camps.
H., Tsukada,
S., Nakata,
T., Chairoungdua,
B. A., Loo, D.D.F.,
Wright,
A., Kim,
E. M. : J.
Biol.
17024(1995)
22)
Torrents, D., Mykkanen, J., Pineda, M., Feliubadalo, L., Estevez, R., de Cid, R., Sanjurjo, P., Zorzano, A., Nunes, V.,
Huoponen, K., Reinikainen, A., Simell, 0., Savontaus, M. L.,
Aula, P., Palacin, M. : Nature Genet., 21, 293-296 (1999)
金井好克
略歴:1984年
群馬大学医学部卒業,1988年
医学系研究科修了.東京大学助手,八
員,杏林大学講師を経て,1996年
東京大学大学院
一バード大学博士研究
より杏林大学助教授 .1998
年より科学技術振興事業団さきがけ研究21研
究者(兼務).
研究テーマ:トランスポーターの分子生物学,分子薬理学.
関心事・抱負:トランスポーターをとりまく蛋白質問相互作
用を明らかにし,細胞をこえたシグナルの流れを見ていくな
かで,組
織の分子生物学
蛋白質
の構築に貢献したい,
核酸酵素Vol.46No.5(2001)
637

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