2009年02月04日
ＧＴＰと結合タンパク質から生命の起源を探る
※GTPの構造式
1/25のなんでや劇場では、生命の司令塔としての中心体～その中心体の原基～そして生命の起源へと迫る議論が展開されました。
そこで改めて興味を持ったのは、中心体原基＝ヌクレオチド（ＧＴＰ／ＧＤＰ）とタンパク質の複合体
ＧＴＰ／ＧＤＰとタンパク質の作用機序に、何か生命にとって根源的なしくみが潜んでいるのではないか？・・・と想像たくましくしておりました 
で、調べてみました。 
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まずは基本から・・・
●ＧＴＰ（グアノシン三リン酸）
ＧＴＰとは「グアノシン三リン酸」の略で、グアニン塩基と糖と３つのリン酸が結びついたヌクレオチド。このＧＴＰからリン酸が１つ外れたものがＧＤＰ（グアノシン二リン酸）。
グアノシン三リン酸は、グアノシン二リン酸 (GDP) からアデノシン三リン酸 (ATP) のリン酸を受容して生合成される。類似した構造を持つ ATP が生物体内で高エネルギーリン酸結合のエネルギーを利用して、様々な生合成や輸送、運動などの反応に用いられるのに対し、GTP は主として細胞内シグナル伝達やタンパク質の機能の調節に用いられる。
（中略）
生合成反応では RNA 合成やその他ヌクレオチドの合成に用いられる。そのほかに多糖の生合成では中間産物である「GDP糖」（GDP-グルコース、GDP-マンノースなど）の合成に用いられる。また動物のクエン酸回路ではスクシニル CoA 合成のエネルギー源、オキサロ酢酸からホスホエノールピルビン酸の合成でのリン酸供与体として機能する。
（ウィキペディア：グアノシン三リン酸）
●ＧＴＰ結合タンパク質
ＧＴＰ、ＧＤＰと結合してはたらくタンパク質群が「ＧＴＰ結合タンパク質」。
これらは、ＧＴＰが結合すると活性化し、ＧＤＰが結合すると不活性化する性質があります。
ＧＴＰ⇔ＧＤＰが細胞内の生化学反応を切り換える「スイッチ」になっているのです。
ＧＴＰ結合タンパク質には非常に多くの種類がありますが、代表的なものをあげると・・・
○シグナル伝達系
・ホルモンや神経伝達物質を運ぶ「三量体ＧＴＰ結合タンパク質」。
細胞膜を貫通する受容体タンパク質からのシグナル伝達に関わり、Ｇタンパク質とも呼ばれる。GTPが結合した状態が活性化し、下流のエフェクターへとシグナルを伝達します。
・細胞の増殖因子、分化因子となる「単量体（低分子量）ＧＴＰ結合タンパク質」。
これもGTPを結合すると活性化し、シグナル伝達のほか、細胞機能の調節、分裂（増殖や分化）に関わっています。
※三量体というのはα、β、γと呼ばれる３つの異なる部品からつくられているという意味。単量体はひとつの部品で分子量も小さい。
※こちらのページ「Gタンパク質」 「体内ブレーカ GTP結合タンパク質」（pdf） が図入りでわかりやすい、おすすめです。
○タンパク質合成系
・タンパク質翻訳の際、リボソームの「開始因子、伸長因子、終結因子」としてはたらくタンパク質群。
○細胞骨格系
・これは当ブログではおなじみの「チューブリン」のこと。GTP 結合型が重合して微小管を形成、GDP に加水分解すると脱重合します。（伸び縮み）
ここで注目したいのが、上記のシグナル伝達系の部分。
ＧＴＰ結合タンパク質は細胞の中でも極めて重要なシグナル伝達分子なのですが、とりわけ以下の性質に着目 
●膜タンパク質と密接な関わりをもっている
1/25なんでや劇場でも、原始膜タンパク質の出現（単なるリン脂質の物質膜から選択透過性という認識機構を備えた生体膜への進化）が細胞生命誕生のひとつのキーになることが議論されましたが、GTP結合タンパク質と膜タンパク質の密接な連携には生命誕生前夜からの記憶が刻まれているのかも知れません。
●細胞分裂（増殖や分化）の制御に関与している
実際にＧＴＰ結合タンパク質の制御がきかなくなると、細胞のガン化進行の要因にもなります（ＧＴＰ結合タンパク質が活性化したままの状態であると、細胞増殖がどんどん進行していってしまう）。
また、ＧＴＰ結合タンパク質は、細胞の分裂軸の決定（分裂の対称、非対称を決め、細胞が均等に増殖するのか、それとも異なる細胞に分化するのかを決定）に関与していることや、細胞質分裂にも関与していることが分かってきているようです。
（※参考 増殖か分化か：細胞極性と分裂軸をカップリングするメカニズムに新たな知見）
（※参考 Rhoを介した分裂面決定機構の解析）
ＧＴＰ結合タンパク質が細胞分裂の制御に重要な役割を果たしているとすれば、まさに（真核）細胞の司令塔＝中心体の原基構造を探る手掛かりとなりそうです。
ＧＴＰと結合タンパク質から、生命誕生の秘密を示唆するメカニズムが解読できるかもしれません
- by iwaiy
- at 00:11
comments
iwaiyさん、こんにちは。
いつも興味深く読ませていただいています。
私は、１０年ほど前、細胞性粘菌の形態形成を、数理モデルを使って研究していたのですが、その数理モデルの中心を担っていたのがGタンパク質でした。
そのモデルでは、三量体というのが決定的に重要で、３つの変数によって、１つの変数の時間発展が決まるところから、３次の非線形性がでてきて、１つの数理モデルで興奮性や振動状態を再現できていました。
細胞性粘菌の場合は、シグナル伝達物質であるcAMPが、細胞間の情報伝達としても使われ、
cAMPが受容体につくことで、活性化され、cAMPが合成される仕組みになっていて、正のフィードバックがかかり、それが、多細胞体が自己組織化されるカギになります。
Gタンパク質の重要性は、調べていけば、まだまだ出てきそうですね。
KAMさん、こんにちは。
コメントありがとうございます！
細胞性粘菌の形態形成（←面白そうで興味あります）とGタンパク質の関係というのは知らなかったので驚きです。
Gタンパク質についてはもうちょっとつっこんで考えてみようかなと思います。特に細胞分裂との関係のあたり・・・
あとこれまでは、ヌクレオチド＝RNAやDNAの材料といった一面的な認識だったのですが（それはそれであるとして）、ヌクレオチドは細胞内での様々な作用機序に不可欠の物質でもあるというのが、今回の記事を書いてのもうひとつの気づきでした。
iwaiyさんへ
生物物理を学んでいた立場からすると、非対称な細胞分裂は、「自己組織化システムの対称性の破れ」として捉えたくなります。
かつて、細胞集団の数が変わっても、細胞分化の比率が一定に保たれる仕組みを説明す数理モデルを見たことがありますが、そういったモデルでは、あるひとつのパラメータを変化させていくと、「一様な状態」が不安定化して、「２つの安定状態」へ分化していきます。
http://ci.nii.ac.jp/naid/110002237857/
細胞をいくつか取り去ると、再分化が起こるのも再現できます。
多細胞システム全体の安定性として、分化や比率制御が起こるときに、Gタンパク質が重要な役割をはたしているような気がしています。
ＫＡＭさん、たいへん示唆に富むコメントありがとうございます☆
知識や切り口が自在で、生物素人の私としては「なるほどな～」と思うことが多いです。
細胞の非対称分裂は、多細胞化（=
細胞の専門分化と統合）の基本ですが、確かに不思議な現象ですよね。それとヌクレオチド⇔タンパク質の関係がわかると面白いですよね！