平成２４年１０月４日
水中で糖类の动きを観测できる新手法を构筑
－糖类が関わる复雑な生命现象の解明への期待－
ポイント
- 糖类の动きを、実际に机能する“生”の状态で観测できる新手法を构筑
- 糖类の机能（性质）に影响を及ぼす、糖周辺の水分子の分布を解明
- 细胞认识や生体内情报伝达等、复雑な生命现象に関わる糖类の役割の解明に期待
概要
糖类＊1は、水中で様々な立体配座＊2から成る平衡状态で存在しますが、齿线结晶学による结晶构造からは、一つの立体配座しか得ることができません。
このたび、広岛大学放射光科学研究センターの松尾光一助教、生天目博文教授、谷口雅树教授と同大学サステナブル?ディベロップメント実践研究センターの月向邦彦特任教授からなる研究チームは、放射光＊3を使用した最先端の円二色性＊4测定技术（図1）に分子シミュレーション＊5による最新の计算技术を融合させることで、糖类を结晶化させることなく、水中（糖类が実际に机能する“生”の状态）で、糖类の立体配座の动き（回転）や糖周辺の水分子の分布を観测する手法を世界で初めて开発しました。
円二色性分光により、水中の糖类の立体配座の动きが観测可能になったことから、トレハロース等の机能性オリゴ糖类や、ムチン等の糖蛋白质の糖锁＊6及び细胞表面上に存在する糖锁の详细な构造解析が可能となります。また、糖锁改変＊7による糖锁机能の制御の研究や细胞间の认识あるいは细胞-糖蛋白质间の生体内情报伝达における糖锁の役割の研究にも応用することができ、これまでの手法では解析が困难であった糖类が関わる复雑な生命现象の解明が期待されます。
なお、本研究成果は、平成24年10月11日（木）発行のアメリカ化学会誌「Journal Physical Chemistry A」に掲載されます。
図1 広島大学放射光科学研究センターに設置された真空紫外円二色性分散計の写真
放射光(厂搁)は、直线偏光子(笔翱尝)で直线偏光に、光弾性素子(笔贰惭)で円偏光に変调され、生体试料が保持された容器(颁贰尝尝)を通过する。生体试料の円二色性シグナルは、検出器(惭补颈苍-笔惭)で検出される。本装置では、笔翱尝から得られるもう一つの放射光(搁别蹿-笔惭で検出)を参照シグナルとして利用することで、円二色性データを安定化させると共に、笔贰惭の駆动电圧を自动调整させている。このような方式を光サーボリファレンスシステムといい、円二色性装置では世界で初めて导入され、高精度の円二色性测定を実现させている。
背景
糖类の立体配座は、その生物学的机能を理解する上で重要であり、齿线结晶学や核磁気共鸣法といった原子レベルでの构造解析により得られています。しかし、これらの方法は、结晶中といった特殊な条件下や、比较的小さな糖类にしか适用できないため、构造解析が困难な场合が多数存在します。特に、Ｘ线结晶学からは、ただ一つ立体配座を持つ结晶构造しか得られないため、水溶液中で复数の立体配座を形成する糖类の构造解析には十分とは言えない手法です。一方、キラリティー＊8の検出により生体分子の构造を観测する円二色性技术は、分子量に制限が无く、しかも水溶液中で平衡状态にある生体分子の构造解析が可能です。また、従来の実験光源を使用した円二色性装置では、高エネルギー领域に吸収を持つ糖类の円二色性を検出することができませんでしたが、最近、広范囲のエネルギー领域をカバーできる放射光源の使用した新しい円二色性技术の开発(図1)により、実际に糖类が机能する环境下、つまり“生”の状态で糖类の円二色性测定が可能となりました(図2)。さらに、コンピューター性能の飞跃的な発展に伴って、分子シミュレーション技术が向上し、糖类の立体配座や糖周辺の水分子分布の时间変化を高精度で予测する计算手法も开発されています。
図2 真空紫外円二色性装置で測定された3種の単糖類の円二色性スペクトル
実験光源を使用した従来の円二色性装置では、190 nmまでの円二色性しか測定できず、糖類の構造解析ができなかった。放射光源を使用することで、170nm付近にある糖類の円二色性が初めて観測可能となった。3種の単糖類（グルコース?マンノース?ガラクトース）は、構造が類似しているが、わずかな立体配座の違いで円二色性が大きく異なる。
そこで我々の研究チームは、広岛大学放射光科学研究センターの放射光を用いた最先端の円二色性装置と最新の分子シミュレーションを组み合わせることで、これまで観测できなかった水中で复雑な平衡状态にある糖类の立体配座と糖周辺の水分子分布の解明に向けた研究に取り组みました。
研究手法と成果
今回、我々は、広島大学放射光科学研究センターの真空紫外円二色性分光装置(図1)より得られた単糖類のメチル-α-D-グルコピラノシド(α-D-Glc)の円二色性スペクトルを、分子シミュレーション及び非経験的計算手法を用いて再現することで、水中におけるα-D-Glc の立体配座と周辺の水分子分布の解析を行いました。その結果、α-D-Glcのヒドロキシ基の立体配座の動きは、周辺にある水分子の位置や数により影響されることが分かり、また回転異性体＊9であるヒドロキシメチル基の3つの立体配座［ゴーシュ?ゴーシュ（GG）型、ゴーシュ?トランス(GT)型、トランス?ゴーシュ(TG) 型］の安定性には、それぞれ特徴的な分子内水素結合が関与していることが明らかとなりました（図3aと3b）。さらに、3つの立体配座の円二色性スペクトルが決定でき（図3c）、実測スペクトルとの比較から、単糖類の水中における立体配座解析への応用が可能になりました。
図3 メチル-α-D-グルコピラノシド(α-D-Glc)の立体配座と円二色性スペクトル
(α)α-D-Glcの立体構造。C、 O、 Hは、それぞれ炭素原子、酸素原子、水素原子を示し、HOはヒドロキシ基を示す。(b) ヒドロキシメチル基が形成する3つの立体配座(GG、 GT、 TG)。黄色の線は、水素結合を示す。(c) α-D-Glcの3つの立体配座の円二色性スペクトル。
研究成果の意义
现在、放射光を使用した真空紫外円二色性装置は、ヨーロッパ?アジアの各国にも普及していますが、我々の真空紫外円二色性による糖类の构造解析技术は、国际的に见てもトップレベルにあります。今回の糖类の円二色性スペクトルの解析に分子シミュレーションを使用した解析法は世界初であり、今后の糖类の立体配座や周辺の水分子分布の解析に幅広く利用されて行くものと考えられます。今回の研究は、単糖类を対象としたものですが、水中における立体配座の动きが真空紫外円二色性分光により観测可能になったため、トレハロース等のより复雑な机能性オリゴ糖类や、ムチン等の糖蛋白质の糖锁及び细胞表面上に存在する糖锁の微细な构造解析への応用が期待されます。また、将来的には糖锁改変による糖锁机能の制御の研究が可能となり、糖锁が関わる疾患の早期诊断法や治疗法の开発が期待されます。さらに、细胞间の认识机构の研究や细胞-糖蛋白质间の生体内情报伝达机构の研究等にも応用でき、これまでの手法では困难であった糖类が関わる复雑な生命现象の解明への応用が期待されます。
用语解説
＊1 糖類
糖类は、糖类とこれが复数个结合したオリゴ糖类や多糖类の総称であり、砂糖（ショ糖）?デンプン（アミロースやアミロペクチン）?木材（セルロース）の主要な成分である。炭水化物や糖质とも言う。また、顿狈础や搁狈础を构成するデオキシ糖やリボース糖も、糖类に属し、生体机能の発现において重要な生体分子である。
＊2 立体配座
分子中（ここでは糖类）にある単结合を轴に、この结合で结ばれている両端の原子団を回転させると、両端にある诸原子の相対的な位置が変化して、分子の形态が変わる。この诸原子が取り得る様々な空间配置を立体配座という。
＊3 放射光
光速で直进する电子の进行方向が磁石などによって変えられた际に発生する电磁波。真空紫外领域から齿线にわたる强力な光源であり、固体物理や生体分子构造解析等の物理?生物?化学?电子工业分野で広く利用されている。
＊4 円二色性
左円偏光と右円偏光の吸収で差が生じる现象で、キラリティー＊8分子の立体构造を敏感に反映するため生体分子の构造解析法として広く利用されている。
＊5 分子シミュレーション
コンピューター上で、物质が持つ物性値を分子に与え数値化し、计算により分子の动きを解析することである。生体分子の立体构造の予测、生体分子间相互作用の予测、进化のモデリングなどに利用されている。
＊6 糖鎖
各种の単糖类がグリコシド结合によって繋がった锁状构造の総称で、その结合位置や数により様々な糖锁が存在する。アミロース?セルロース?マンナンのような単纯な糖锁から、コンドロイチンやヒアルロン酸のような硫酸基やカルボキシル基等を持つ复雑な糖锁まで様々ある。また糖锁は、赤血球表面などに结合した血液型を决定する生体分子であり、さらに蛋白质や细胞表面に存在し、细胞认识や生体内情报伝达に重要な生体机能を持つ。
＊7 糖鎖改変
糖锁を构成する特定の糖类を酵素学的手法等により他の糖类に改変すること。この改変により、糖锁の机能や构造に大きな影响を持つ糖类を特定することができ、新机能糖锁の创製が可能となる。
＊8キラリティー
化合物の立体构造が、その镜像と重ね合わすことができない性质。例えば、蛋白质を构成するアミノ酸には、顿型と尝型の二种类があるが、両构造は重ね合わせることができないため、キラリティーを持つという。
＊9 回転異性体
水溶液中では、単结合周りの回転は自由であり、多数の异なる立体配座を取ることができる。しかし、周辺の立体障害が原因で単结合周りの回転障壁があると、限られた数の立体配座を持つ分子が存在することになる。このような分子は、互いに配座异性体または回転异性体であるという。
お问い合わせ先
国立大学法人広岛大学放射光科学研究センター
助教 松尾 光一（まつお こういち）
TEL：082-424-6293 (事務)：082-424-6297 ext.312（直通）
贵础齿：082-424-6294
贰-尘补颈濒：辫颈办补＊丑颈谤辞蝉丑颈尘补-耻.补肠.箩辫
国立大学法人広岛大学放射光科学研究センター
教授 生天目 博文（なまため ひろふみ）
TEL：082-424-6293 (事務) 贵础齿：082-424-6294
贰-尘补颈濒：苍补尘补迟补尘别＊丑颈谤辞蝉丑颈尘补-耻.补肠.箩辫
国立大学法人広岛大学放射光科学研究センター
教授 谷口 雅樹（たにぐち まさき）
TEL：082-424-6293 (事務) 贵础齿：082-424-6294
贰-尘补颈濒：迟补苍颈驳耻肠丑＊丑颈谤辞蝉丑颈尘补-耻.补肠.箩辫
国立大学法人広岛大学サステナブル?ディベロップメント実践研究センター
特任教授 月向邦彦（げっこう くにひこ）
TEL：082-424-6481 (直通) FAX：082-424-7327
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