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== 背景 == | == 背景 == | ||
[[生体膜]]は、[[グリセロリン脂質]]、[[中性脂質]]（[[コレステロール]]等）、[[スフィンゴ脂質]]などによって構成されている。そのなかで、スフィンゴ脂質は[[スフィンゴシン]]塩基を基本骨格にもつ脂質の総称であり、スフィンゴシン、セラミド、[[スフィンゴ糖脂質]]、[[スフィンゴシン1-リン酸]]、[[セラミド-1-リン酸]]や[[スフィンゴミエリン]]などがある。なかでもセラミドは脳に最も多く認められる他にも、さまざまな臓器に認められる <ref name=Schiffmann2013><pubmed>23792024</pubmed></ref>。 | |||
[[小胞体]]、[[ミトコンドリア]]でde novo合成されたセラミドは[[ゴルジ体]]内腔においてスフィンゴミエリンや糖鎖の付加された複雑な複合スフィンゴ糖脂質へと変化する<ref name=Yamaji2015><pubmed>25382749</pubmed></ref>。一方で異化代謝経路も存在し、スフィンゴミエリン、スフィンゴ糖脂質の代謝によってもセラミドが生成する ('''図1''')。したがって、これら合成系と分解系の酵素群によって細胞内のセラミド量は時空間的に巧妙に制御されている。 | |||
尚、広義には皮膚のバリア機能を担うセラミドは多様な分子種が存在するが<ref name=Kihara2016><pubmed>27107674</pubmed></ref>、ここでは下記の構造を持つ狭義の意味でのセラミドに内容を絞って解説する。 | 尚、広義には皮膚のバリア機能を担うセラミドは多様な分子種が存在するが<ref name=Kihara2016><pubmed>27107674</pubmed></ref>、ここでは下記の構造を持つ狭義の意味でのセラミドに内容を絞って解説する。 | ||
== 構造 == | == 構造 == | ||
セラミドは、スフィンゴシン（sphingosine）と[[脂肪酸]]（fatty acid）からなる[[アミド]]化合物である。脂肪酸は[[長鎖脂肪酸]]C16-22、[[極長鎖脂肪酸]]C22-24が多いが、[[ケラチノサイト]]や[[精子]]細胞の分化や成熟においてはC26-36の極長鎖脂肪酸も認められる<ref name=Castro2014><pubmed>24513486</pubmed></ref>。構造上、[[リン脂質]]、スフィンゴミエリン、複合スフィンゴ糖脂質と比べて極性頭部が小さい (水溶性が低い) こと、[[アシル基]]の飽和度が高い (流動性の低い、より硬い膜環境を好む) ことなどがあげられる。 | |||
== | == 生合成・代謝 == | ||
セラミドはde | セラミドはde novo合成あるいは複合スフィンゴ脂質の加水分解によって産生される。[[腫瘍壊死因子]]([[TNF]])や[[Fas]]などによる[[加水分解]]酵素の活性化によるセラミドの産生は数分以内、一方で[[血清]]飢餓、TNF、Fas刺激後のde novo合成にかかる時間は数時間だと考えられている<ref name=Hannun1996><pubmed>8943189</pubmed></ref>。 | ||
=== De novo合成経路 === | === De novo合成経路 === | ||
セラミドは小胞体とミトコンドリアの細胞質側で[[パルミトイルCoA]]と[[L-セリン]]から[[スフィンガニン]]、[[ジヒドロセラミド]]を経て合成される。多くの他の合成酵素がひとつ、ないし二つのアイソフォームを持つのに対して、ジヒドロセラミドを合成する[[セラミドシンターゼ]] (CerS) は[[CerS1]]-[[CerS6|6]]の六つのアイソフォームがあり、合成に利用するアシル基の長さと組織発現が異なっているとこから、それぞれのアシル基/組織特異性が細胞におけるセラミド種の分布の違いと機能を制御している<ref name=Pewzner-Jung2006><pubmed>16793762</pubmed></ref><ref name=Riebeling2003><pubmed>12912983</pubmed></ref>。例えば、CerS1はC18セラミドの合成に特異的であり、[[脳]]、[[筋肉]]のみに発現する。一方、[[CerS2]]は主にC20-26の長鎖セラミドの合成に特異的で、[[髄鞘]]形成時に[[オリゴデンドロサイト]]と[[シュワン細胞]]に最も高い発現を示す。CerS1と異なりCerS2は広く多くの組織に分布する <ref name=Schiffmann2013><pubmed>23792024</pubmed></ref>。 | |||
小胞体の細胞質側で合成されたセラミドは[[CERT]]と呼ばれる脂質[[輸送体]]によってゴルジ体へと運ばれ、内腔に移行した後、スフィンゴミエリンや複合糖脂質が合成されていく<ref name=Hanada2017><pubmed>28815522</pubmed></ref><ref name=Hanada2018><pubmed>29884707</pubmed></ref>。このセラミドのゴルジ体細胞質側から内腔への移行のメカニズムは知られていない。 | |||
=== 異化代謝経路 === | === 異化代謝経路 === | ||
セラミドはスフィンゴミエリンやスフィンゴ糖脂質の加水分解によっても産生される。 | セラミドはスフィンゴミエリンやスフィンゴ糖脂質の加水分解によっても産生される。 | ||
スフィンゴミエリンからセラミドへの代謝は[[スフィンゴミエリナーゼ]] ([[SMase]]) が触媒している <ref name=Reynolds2004><pubmed>15013522</pubmed></ref>。至適pH、細胞内局在の異なるいくつかのSMaseが同定されている。 | |||
==== 酸性スフィンゴミエリナーゼ ==== | |||
[[酸性スフィンゴミエリナーゼ]] ([[acid SMase]]; [[aSMase]]) はpH4.5-5で酵素活性を発揮し、[[リソソーム]]内腔でスフィンゴミエリンの代謝を制御していることが知られている <ref name=Schissel1998><pubmed>9660788</pubmed></ref> 。先天性脳、肝臓疾患である[[Niemann-Pick病]]タイプAの原因遺伝子であり、酵素の欠陥により体内の様々な臓器にスフィンゴミエリンが蓄積する <ref name=Otterbach1995><pubmed>7600574</pubmed></ref> 。酸性スフィンゴミエリナーゼは細胞外に分泌され細胞表面のスフィンゴミエリンを分解することも報告されている <ref name=Kornhuber2015><pubmed>25803076</pubmed></ref>。 | |||
==== 中性スフィンゴミエリナーゼ ==== | |||
中性で活性を示す[[中性スフィンゴミエリナーゼ]] ([[neutral SMase]]; [[nSMase]])もいくつか知られており、[[nSMaseI]]、[[nSMaseII]]は小胞体膜、[[nSMaseIII]]は小胞体とゴルジ体膜細胞質側に局在する。いずれもそれぞれの局在場所で局所的なセラミドのドメインを形成することで、小胞の形成、輸送、融合に関わっていると考えられる <ref name=Wakeham2000><pubmed>11208125</pubmed></ref><ref name=Ybe2000><pubmed>11208133</pubmed></ref>。 | |||
=== 代謝経路 === | === 代謝経路 === | ||
==== セラミダーゼ ==== | |||
加水分解酵素[[セラミダーゼ]]（[[ceramidase]]; [[CDase]]）により分解され、スフィンゴシンと脂肪酸に代謝される。これらは再度セラミドシンターゼによって合成されることでも ([[サルベージ経路]]) セラミドの量は調節される。いくつかのセラミダーゼが同定されており、それらは細胞内局在と至適pHが異なる。[[酸性セラミダーゼ]]はリソソーム、[[中性セラミダーゼ]]はミトコンドリア、[[塩基性セラミダーゼ]]はゴルジ体および小胞体に局在すると報告されている <ref name=Bar2001><pubmed>11241842</pubmed></ref><ref name=ElBawab1999><pubmed>10488143</pubmed></ref><ref name=Mao2001><pubmed>11527964</pubmed></ref>。 | |||
==== セラミドキナーゼ ==== | |||
[[セラミドキナーゼ]] (CerK) によってセラミド-1-リン酸へと代謝される経路も存在する。ゴルジ体で[[リン酸化]]されたセラミド-1-リン酸は特異的な輸送タンパク質によって形質膜や[[核]]など、種々の細胞内小器官に運ばれ、シグナル伝達にも関与する <ref name=Gomez-Munoz2016><pubmed>26703189</pubmed></ref><ref name=Simanshu2013><pubmed>23863933</pubmed></ref>。例えば、セラミド-1-リン酸は種々の細胞種で[[アポトーシス]]に抑制的に作用することが知られている。ゆえに、CerKは細胞増殖と生存に機能すると考えられている。この他、セラミド-1-リン酸に制御されるシグナル伝達は、[[MEK]]s、[[ERK]]s、[[PI3K]]、[[NF-κB]]、[[mTOR]]、[[JNK]]、[[PKCa]]など多数報告されている <ref name=Gomez-Munoz2016><pubmed>26703189</pubmed></ref>。 | |||
== 短鎖セラミドと蛍光セラミド類似体 == | == 短鎖セラミドと蛍光セラミド類似体 == | ||
アシル基の短い (C2、C6) セラミドは天然のセラミドと異なり細胞膜を透過する。内在性のC2セラミドが脳や肝臓に少量存在することが知られているが、その起源や生理的な意義はよく分かっていない <ref name=VanOverloop2007><pubmed>17338639</pubmed></ref>。一方で、C2、C6短鎖セラミドを外から細胞に加えると、数時間内に内在性の長鎖セラミドの濃度が上昇し、様々なシグナルが誘導されることから、短鎖セラミドはセラミドを介したシグナル伝達の研究に用いられてきた <ref name=Hannun2000><pubmed>10652518</pubmed></ref><ref name=Ogretmen2002><pubmed>11815611</pubmed></ref>。 | アシル基の短い (C2、C6) セラミドは天然のセラミドと異なり細胞膜を透過する。内在性のC2セラミドが脳や肝臓に少量存在することが知られているが、その起源や生理的な意義はよく分かっていない <ref name=VanOverloop2007><pubmed>17338639</pubmed></ref>。一方で、C2、C6短鎖セラミドを外から細胞に加えると、数時間内に内在性の長鎖セラミドの濃度が上昇し、様々なシグナルが誘導されることから、短鎖セラミドはセラミドを介したシグナル伝達の研究に用いられてきた <ref name=Hannun2000><pubmed>10652518</pubmed></ref><ref name=Ogretmen2002><pubmed>11815611</pubmed></ref>。 | ||
蛍光標識された短鎖（C5-6）セラミド類似体もその代謝と細胞内動態の追跡や細胞内小器官の可視化に使用されている <ref name=Lipsky1985><pubmed>2581316</pubmed></ref> | 蛍光標識された短鎖（C5-6）セラミド類似体もその代謝と細胞内動態の追跡や細胞内小器官の可視化に使用されている <ref name=Lipsky1985><pubmed>2581316</pubmed></ref>。細胞内でのセラミドの動態は用いる[[蛍光]]標識により異なり、培地に加えた[[ニトロベンゾオキサジアゾール]]（[[NBD]]）標識された[[N-(epsilon-7-nitrobenz-2-oxa-1,3-diazol-4-yl-aminocaproyl)-D-erythro-sphingosine]] ([[C6-NBD-Cer]]) は自発的に[[トランスゴルジネットワーク]]に移行するが、トランスゴルジネットワークに集積するためにはトランスゴルジネットワークのコレステロールが重要な役割を果たしている <ref name=Pagano1989><pubmed>2478562</pubmed></ref>。 一方[[ボロンジピロメテン]] ([[BODIPY]]）標識した[[N-(4,4-difluoro-5,7-dimethyl-4-bora-3a,4a-diaza-s-indacene-3-pentanoyl) sphingosine]] (BODIPY-FL-C5-Cer) はCERT依存的に細胞質から[[トランスゴルジネットワーク]]に輸送される <ref name=Fukasawa1999><pubmed>10037789</pubmed></ref>。赤外域に蛍光を持つ[[クマリン]]誘導体である[[COUPY]]標識の蛍光セラミド類似体はエンドソーム、リソソームに局在する <ref name=Izquierdo2022><pubmed>36441972</pubmed></ref>。 | ||
== 細胞機能 == | == 細胞機能 == | ||
=== セラミドドメイン === | === セラミドドメイン === | ||
セラミドは構造的上の物性から、セラミド間の相互作用が強く、セラミドの豊富な[[膜ドメイン]]を形成することが知られている<ref name=Zhang2009><pubmed>18786504</pubmed></ref>。膜中のセラミド濃度は通常非常に低い (リン脂質の0.1-1 %）<ref name=Hannun2011><pubmed>21693702</pubmed></ref>が、スフィンゴミエリンをセラミドに代謝するスフィンゴミエリナーゼは局所的な[[セラミドドメイン]]の形成に関与すると考えられる。セラミドの豊富なドメインは、様々なシグナリングタンパク質のクラスター化を促進する。例えば[[デスレセプター]]として知られる[[CD95]]はセラミドのドメイン形成によってシグナルが100倍増幅することが報告されている <ref name=Grassme2003><pubmed>12934106</pubmed></ref>。 | |||
=== アポトーシス === | === アポトーシス === | ||
アポトーシスは生体の正常な発達と[[恒常性]]維持における根源的なメカニズムである。その機能破綻は[[神経変性疾患]]や[[がん]]など、様々な疾患の原因となる。セラミド豊富なドメインの関連するシグナルは、[[CD95]]、[[CD40]]、[[DR5]]、[[FcgRII]]、[[PAF受容体]]、[[CD14]]、[[黄色ブドウ球菌]]、[[淋菌]]、[[ライノウィルス]]感染などによるアポトーシスを誘導することが知られている<ref name=Bollinger2005><pubmed>16226325</pubmed></ref><ref name=Zhang2009><pubmed>18786504</pubmed></ref>。その制御機構はドメイン形成を介した受容体クラスター形成の促進に伴うシグナル伝達の制御だと考えられているが、その制御機構は複雑で未だに議論の的である<ref name=Froissart2025><pubmed>40106870</pubmed></ref><ref name=Kolesnick1999><pubmed>10366847</pubmed></ref><ref name=Obeid1993><pubmed>8456305</pubmed></ref>。例えば、セラミドの上昇はアポトーシスを誘導する<ref name=Novgorodov2005><pubmed>15722351</pubmed></ref><ref name=Obeid1993><pubmed>8456305</pubmed></ref>。一方で、その枯渇はアポトーシスの進展を抑制することもある <ref name=Bose1995><pubmed>7634330</pubmed></ref><ref name=Dbaibo2001><pubmed>11513845</pubmed></ref><ref name=Santana1996><pubmed>8706124</pubmed></ref>。セラミド合成の最初のステップである[[セリンパルミトイルトランスフェラーゼ]]を阻害する[[ISP-1]]によるセラミド合成の阻害は[[プルキンエ神経]]細胞にアポトーシスと異常な[[神経突起]]を伴う分化を誘導するが、他の脳神経細胞には影響を及ぼさない<ref name=Furuya1998><pubmed>9648886</pubmed></ref>。また、[[NGF]]枯渇によって誘導される[[交感神経系]]の細胞のアポトーシスには保護的に働くなど、細胞によっても作用や機序が異なる<ref name=Nair2000><pubmed>10713735</pubmed></ref>。このように、セラミド依存性のアポトーシスは中枢神経系の機能に重要な役割を果たしていると考えられる。 | |||
セラミドは異なった経路、細胞内オルガネラを介してアポトーシスを誘導する。一つは[[スフィンゴミエリナーゼ]]によるスフィンゴミエリンの加水分解、もう一つはde novo合成である。中性スフィンゴミエリナーゼと酸性スフィンゴミエリナーゼは腫瘍壊死因子によって活性化されるが、それぞれ異なったメカニズムでセラミドを産生しアポトーシスを制御することが知られている<ref name=Cifone1995><pubmed>8846779</pubmed></ref><ref name=Wiegmann1994><pubmed>7923351</pubmed></ref>。 | |||
===老化・加齢 === | ===老化・加齢 === | ||
セラミドは皮膚の[[バリア機能]]や[[組織修復]]促進の役割も持つ。加齢に伴う皮膚の線維化や組織修復能の低下は、酸性スフィンゴミエリナーゼとセラミドシンターゼの活性低下に伴うセラミドの低下によるものであると考えられる。また、セラミドは[[PP1]]や[[PPA2]]などの[[脱リン酸化酵素]]を活性化し、[[p21]]、[[pRb]]の発現を調節することで細胞の老化を制御する。このように、セラミドによる組織機能の維持や細胞老化の制御は、正常な細胞・組織恒常性を制御し、[[インスリン]]感受性、[[血管]]系の維持、[[免疫]]系の維持に関わっている <ref name=Trayssac2018><pubmed>30108193</pubmed></ref>。 | |||
== 疾患との関わり == | == 疾患との関わり == | ||
全てのスフィンゴ脂質はセラミドから合成され、セラミドに分解される。ゆえに、セラミドはスフィンゴ脂質代謝の中心的な存在である。この代謝に関連する合成・分解酵素の欠損は、リソソームへの異常なスフィンゴ糖脂質の蓄積をもたらす。特に他の臓器に比べ、脂質合成が盛んな脳が脂質異常の病態の表現型を呈する。 | 全てのスフィンゴ脂質はセラミドから合成され、セラミドに分解される。ゆえに、セラミドはスフィンゴ脂質代謝の中心的な存在である。この代謝に関連する合成・分解酵素の欠損は、リソソームへの異常なスフィンゴ糖脂質の蓄積をもたらす。特に他の臓器に比べ、脂質合成が盛んな脳が脂質異常の病態の表現型を呈する。 | ||
=== Farber病 === | === Farber病 === | ||
セラミダーゼCDase活性の欠損は[[Farber病]]とよばれる遺伝性神経変性疾患の原因となる<ref name=Sugita1972><pubmed>4678225</pubmed></ref>。酸性セラミダーゼ遺伝子である[[ASAH]]の欠損により、セラミドの合成は正常であるが、複雑なスフィンゴ脂質が分解されず、リソソームに蓄積する。その結果、脳におけるセラミドの蓄積により神経機能が異常をきたす<ref name=Ehlert2007><pubmed>17603888</pubmed></ref><ref name=Yu2018><pubmed>30029679</pubmed></ref>。臨床症状は多様で、重篤な症状で乳幼児期に死亡する場合もあれば、発達障害の場合、あるいは大人になってから発症する場合もある<ref name=Yu2018><pubmed>30029679</pubmed></ref>。 | |||
=== アルツハイマー病 === | === アルツハイマー病 === | ||
セラミドは[[アルツハイマー病]]の初期段階において増加、後期に減少が認められ<ref name=Grassme2003><pubmed>12934106</pubmed></ref><ref name=Katsel2007><pubmed>17342407</pubmed></ref><ref name=Zhang1999><pubmed>10097168</pubmed></ref>、その増加により神経細胞やオリゴデンドロサイトの細胞死が亢進されることが知られている<ref name=Jana2009><pubmed>19147160</pubmed></ref>。ゆえに、初期段階におけるセラミドの蓄積は病態進展を防ぐ標的となる可能性が考えられる。 | |||
=== パーキンソン病 === | === パーキンソン病 === | ||
[[パーキンソン病]]においても[[レビー小体]]の出現に伴い、セラミド代謝の異常が認められる<ref name=Rocha2015><pubmed>26094487</pubmed></ref>。セラミドの代謝酵素の阻害によって、[[ドーパミン]]作動性のニューロンの[[α-シヌクレイン]]の量が低下することが知られているが、これは分解酵素[[カテプシンD]]の活性がセラミドにより活性化するためだと考えられている<ref name=Paciotti2020><pubmed>32098196</pubmed></ref>。また、セラミドを含む[[脂質ラフト]]によってα-シヌクレインのプロセシングと蓄積が制御されているとも考えられている<ref name=Fortin2004><pubmed>15282274</pubmed></ref> | |||
==関連項目== | ==関連項目== | ||
*[[スフィンゴミエリン]] | *[[スフィンゴミエリン]] | ||
==参考文献== | ==参考文献== | ||