「スフィンゴミエリン」の版間の差分

1880年代にドイツの化学者Johann L. W. Thudicamによって脳組織から単離された脂質で、その謎の多い性質からギリシャ神話のスフィンクスになぞらえて、スフィンゴミエリン（SM）と名付けられた(Thudicum, 1884, in: A Treatise on the Chemical Constitution of Brain. (https://wellcomecollection.org/works/zcf2rr7p))。SMは細胞に豊富な膜構成脂質で、哺乳類<ref name=Ullman1974><pubmed>4817756</pubmed></ref>から線虫<ref name=Satouchi1993><pubmed>8231660</pubmed></ref>、マラリア寄生虫Plasmodium falciparum<ref name=Elmendorf1994><pubmed>8106545</pubmed></ref>のような原生動物類まで、さまざまな生物種に存在している<ref name=Huitema2004><pubmed>14685263</pubmed></ref>。主要な膜構成スフィンゴ脂質の一つであり、多くの哺乳動物組織において全リン脂質の2-15%を占める<ref name=Koval1991><pubmed>2007175</pubmed></ref>。特に、赤血球、水晶体、末梢神経組織、脳などで高いレベルで存在する<ref name=Koval1991><pubmed>2007175</pubmed></ref><ref name=Talbott2000><pubmed>11030591</pubmed></ref>。その名前の元となったミエリン鞘においても検出される。また、SMは、単に細胞膜の主要構成脂質であるだけでなく、セラミドやスフィンゴシン−１−リン酸などのような生理活性脂質のリザーバーとしても重要である。SM の代謝酵素とこれら生理活性脂質がうつ病・統合失調症やアルツハイマー病など様々な精神・神経疾患に関与することが報告されている<ref name=Choi2024><pubmed>38337058</pubmed></ref><ref name=Zhuo2022><pubmed>35739089</pubmed></ref>。さらにSMはコレステロール（Chol）とともに脂質ラフトとも呼ばれる膜ドメインの形成を通してタンパク質の膜分布を制御し、シグナル伝達等の細胞機能に関与していると考えられている。ここでは、疾患への関与とともに、最近報告された、細胞内におけるSMの動態やSM自体が細胞内でシグナルとして機能する例についても記述する。

基本骨格

SMの構造は1927年にN-acyl-sphingosine-1-phosphorylcholine (ceramide-1-phosphorylcholine)であることが報告された (Pick and Bielchowsky, 1927, Klin. Wochenschr. )。すなわち、極性頭部であるホスホコリンが、リン酸ジエステル結合によってセラミドの水酸基と縮合した構造をとる（図1）。セラミド部分は、長鎖塩基のアミド基に様々な鎖長の脂肪酸がアミド結合した構造（N-アシル鎖）をとり、長鎖塩基は鎖長C18で、4位と5位の間にトランス二重結合をもつ、スフィンゴシン（sphingosine; 1,3-dihydroxy-2-amino-4-octadecene, d18:1）であることが多い。二重結合の飽和したジヒドロスフィンゴシン（dihydrosphingosine/sphinganine, d18:0）もまた少量であるが存在する。また、天然のSMの立体配置は、D-erythroであり、炭素骨格2位と3位の炭素に付加したアミド基と水酸基がそれぞれ2S、3Rの配置をとる<ref name=ShapiroShapiro, David., Flowers, HM. (1962). Studies on Sphingolipids. VII. Synthesis and Configuration of Natural Sphingomyelins. J. Am. Chem. Soc., 84(6), 1047–50. https://doi.org/10.1021/ja00865a036</pubmed></ref>。N-アシル鎖の主要構成種は、飽和直鎖状の長鎖脂肪酸であるパルミチン酸（palmitic acid, C16:0）、ステアリン酸（stearic acid, C18:0）や極長鎖脂肪酸であるリグノセリン酸（lignoceric acid, C24:0）の他、一価不飽和のネルボン酸（nervonic acid, C24:1∆15c）も一般的である<ref name=Lorent2020><pubmed>32367017</pubmed></ref><ref name=Valsecchi2007><pubmed>17093290</pubmed></ref>が、4位の炭素に水酸基が付加したものや、トランス二重結合が完全に飽和したジヒドロスフィンゴミエリンも存在する。表皮角化細胞や男性生殖細胞では、極長鎖よりも長い（C26-C36）超長鎖脂肪酸をもつものが存在する<ref name=Sandhoff2010><pubmed>20035755</pubmed></ref>。

同じ極性頭部、ホスホコリンを持つグリセロリン脂質、ホスファチジルコリン（PC）と異なり、SMは水素結合供与基（2位のアミノ基と3位の水酸基）を有しており（図1）、分子内、分子間で水素結合ネットワークを形成しうる<ref name=Murata2022><pubmed>35791389</pubmed></ref><ref name=Slotte2016><pubmed>26656158</pubmed></ref>。この性質が以下に述べるCholとの相互作用による秩序液体（liquid-ordered (Lo)）ドメインの形成において重要である。

図1. SMとPCの化学構造

左から、d18:1/16:0 SM、d18:1/24:0 SM、16:0/18:1 PCの構造。赤、青、緑網掛けは、それぞれ、ホスホコリン極性頭部、スフィンゴシン、アシル鎖部分を示す。赤、青矢印は、それぞれ水素結合受容基、供与基を示す。

生合成と代謝

スフィンゴミエリン生合成経路は、小胞体における前駆体セラミド合成、ゴルジ体へのセラミドの輸送とゴルジ体におけるスフィンゴミエリン合成、と異なるコンパートメントにまたがり進行する。一連の反応は、小胞体の複数回膜貫通タンパク質である、セリンパルミトイルトランスフェラーゼを含む複合体によるL-セリンとパルミトイルCoAの縮合から始まる。この反応産物3-ケト-スフィンガニンは、3-ケト-スフィンガニンレダクターゼによりジヒドロスフィンゴシン／スフィンガニンへ還元された後、セラミド合成酵素によりアシル化され、ジヒドロセラミドが生じる。セラミド合成酵素は、哺乳動物細胞では、異なる基質特異性を持つ6種の酵素からなるファミリーを形成し、スフィンゴミエリンのアシル鎖長を決定している。ジヒドロセラミドの長鎖塩基の4、5位の間にトランス二重結合がジヒドロセラミド不飽和化酵素により導入され、セラミドが合成される<ref name=Hanada2009><pubmed>19416656</pubmed></ref>（図2）。セラミドは、セラミド輸送タンパク質CERTによって、小胞体とトランスゴルジ領域間の膜接触部位（membrane contact sites）において小胞輸送非依存に輸送される<ref name=Hanada2009><pubmed>19416656</pubmed></ref><ref name=Murata2022><pubmed>35791389</pubmed></ref>。長鎖セラミド（C14:0, C16:0, C18:0, C20:0）がCERTの主要なリガンドである<ref name=Kumagai2005><pubmed>15596449</pubmed></ref>のに対し、極長鎖セラミド（C24）は小胞輸送によってゴルジ体へ運ばれることが最近報告されている<ref name=Fougere2025><pubmed>40000850</pubmed></ref><ref name=Kim2023><pubmed>37787764</pubmed></ref><ref name=Kim2025><pubmed>39990424</pubmed></ref>。ゴルジ体に輸送されたセラミドへ、スフィンゴミエリン合成酵素（sphingomyelin synthase or phosphatidylcholine:ceramide cholinephosphotransferase）によって、PC由来のホスホコリンが付加されることにより、SMが生合成される（図2）。この際、PCからホスホコリンが除かれることにより、ジアシルグリセロールが副産物として生成される。

　酵素活性は1970年代より、マウス肝臓の膜画分に検出されていたが<ref name=Ullman1974><pubmed>4817756</pubmed></ref><ref name=Voelker1982><pubmed>7093220</pubmed></ref>、2004年に二つのグループからSM合成酵素遺伝子のクローニングが報告された<ref name=Huitema2004><pubmed>14685263</pubmed></ref><ref name=Yamaoka2004><pubmed>14976195</pubmed></ref>。HuitemaらはLipid phosphate phosphatase (LPP)の特徴的モチーフなど、配列情報を基にin silicoスクリーニングを用い<ref name=Huitema2004><pubmed>14685263</pubmed></ref>、YamaokaらはSM 合成欠損マウスリンパ細胞を用いた発現クローニングの手法により<ref name=Yamaoka2004><pubmed>14976195</pubmed></ref>、SM合成酵素遺伝子を同定した。ヒトでは、sphingomyelin synthase 1 (SMS1) 、2 (SMS2)の二つの酵素がSGMS1とSGMS2の二つの遺伝子にコードされている。これらSGMS1、SGMS2は哺乳動物間で非常に高く保存されている（ヒト対マウス: >90%）他、SMを持つ生物、線虫C. eleganceなどでも遺伝子とその産物の酵素活性が確認されている<ref name=Huitema2004><pubmed>14685263</pubmed></ref>。両者の転写産物は、ヒト脳、心臓、腎臓、肝臓、筋肉、および胃で検出されており、さまざまな臓器に広く発現していることが明らかになっている<ref name=Huitema2004><pubmed>14685263</pubmed></ref>。SMS1はトランスゴルジ膜に局在し、新規SM合成に関わっているのに対し、SMS2はゴルジ体膜にも局在するが、主に細胞膜に局在し、細胞膜のスフィンゴ脂質の異化により生じたセラミドを基質としていると考えられている<ref name=Huitema2004><pubmed>14685263</pubmed></ref><ref name=Sokoya2022><pubmed>36102623</pubmed></ref>。SMS1、SMS2は6回膜貫通タンパク質であり、その触媒中心はSMS1ではゴルジ体内腔側を、SMS2では細胞外側を向いていると考えられている。上記、SMS1、SMS2の他に、配列類似性を基にSMSr (sphingomyelin synthase-related protein)もまた同定された<ref name=Huitema2004><pubmed>14685263</pubmed></ref>。試験管内のアッセイでは、SMSrはSM合成活性は示さず、哺乳類ではごく微量存在するスフィンゴ脂質、セラミドホスホエタノールアミン(CPE)合成活性を示す<ref name=Hu2024><pubmed>38388831</pubmed></ref><ref name=Huitema2004><pubmed>14685263</pubmed></ref>。SMSrは小胞体に局在し、CPEを合成することで小胞体のセラミドレベルを調節すると考えられている<ref name=Vacaru2009><pubmed>19506037</pubmed></ref>。SM生合成に伴う、セラミド消費とジアシルグリセロール産生は、単に生合成のみならず、二つの生理活性脂質を介したシグナル伝達により細胞増殖に関与するという仮説“SMサイクル”が立てられている<ref name=Hannun1994><pubmed>8106344</pubmed></ref><ref name=Pagano1988><pubmed>3255201</pubmed></ref>。

　SMの分解に関しては、５つの異なるスフィンゴミエリナーゼ（SMPD1-4, SMPDL3A）が、細胞膜、小胞体、ゴルジ体、核、リソソーム、ミトコンドリア、細胞外スペースに局在することが知られている<ref name=Hannun2018><pubmed>29165427</pubmed></ref>。これらの酵素は至適pHが異なっており、それぞれの細胞内機能部位におけるpHを反映していると考えられる。中性スフィンゴミエリナーゼ（nSMase2：SMPD3）は、酸性リン脂質によってアロステリックに活性化され、二カ所のパルミトイル化により細胞膜内層に局在する<ref name=Airola2017><pubmed>28652336</pubmed></ref>。酸性スフィンゴミエリナーゼ（aSMase：SMPD1）は、分泌経路を通り、リソソームへ局在し、酵素活性に必要なZnと結合する。TNFやIL-1などのサイトカイン刺激により細胞外へ分泌される<ref name=Jenkins2011><pubmed>21098024</pubmed></ref>が、分泌された分子が至適pH、Zn不在の環境下、酵素活性を発揮するかは不明である。

図2. SM生合成経路

細胞内局在

　SMは細胞膜にその大部分（90%<ref name=Lange1989><pubmed>2917977</pubmed></ref>）が存在する一方で、トランスゴルジ体膜<ref name=Bakrac2008><pubmed>18442982</pubmed></ref><ref name=Deng2016><pubmed>27247384</pubmed></ref><ref name=Kiyokawa2005><pubmed>15840575</pubmed></ref>や後期エンドソーム・リソソーム<ref name=Kiyokawa2005><pubmed>15840575</pubmed></ref>、リサイクリングエンドソーム<ref name=Yachi2012><pubmed>22747662</pubmed></ref>の他、核<ref name=Lazzarini2015><pubmed>26124436</pubmed></ref>にも存在する。

種類と作用、機能と疾患等との関連

1. 種類と作用、細胞における機能

2. 疾患との関連

　哺乳動物ミエリン膜では、脂質の含量が約70%と非常に高く<ref name=DeVries1981><pubmed>7240954</pubmed></ref><ref name=Gent1964><pubmed>14238160</pubmed></ref><ref name=Norton1965><pubmed>14313516</pubmed></ref><ref name=Norton1973><pubmed>4754856</pubmed></ref><ref name=Svennerholm1992><pubmed>1390872</pubmed></ref>、特徴的な脂質組成を示す。Cholとガラクトシルセラミドが、ミエリン鞘において、27-28%、20-24%の割合で存在するのに対し<ref name=Garbay2000><pubmed>10727776</pubmed></ref><ref name=Norton1973><pubmed>4754856</pubmed></ref><ref name=Ozgen2016><pubmed>27141942</pubmed></ref>、SMは、中枢、末梢神経系のミエリンにおいて、それぞれ6%、13%を占める<ref name=Poitelon2020><pubmed>32230947</pubmed></ref>。SGMS1あるいはSGMS2のノックアウトマウスでは、ミエリンに障害は観察されないが、酸性スフィンゴミエリナーゼの遺伝・薬理的阻害は、cuprizoneによる脱髄マウスモデルにおいて、有意なミエリンの回復が見られ、SMのミエリン鞘における役割が示唆されている<ref name=Chami2017><pubmed>28582448</pubmed></ref>。

　アルツハイマー病において、SMとCholレベルが、γ―セクレターゼの活性制御を通して、ベータアミロイド前駆体タンパク質（APP）のアミロイドベータ（A）への切断をコントロールすること、また異なる切断産物が代謝酵素の制御を通じて、SMとCholレベルを変化させることが報告されている<ref name=Grimm2005><pubmed>16227967</pubmed></ref>。

　細胞膜外層のSMをフリップし、内層のSMプールを生じるPMP2をコードする遺伝子は、遺伝性の運動・感覚性神経障害、シャルコー・マリー・トゥース病（Charcot-Marie-Tooth disease (CMT)）のうち、脱髄が顕著なCMT1の原因遺伝子の一つとして知られている。PMP2の点変異I43NはCMT1家系で常染色体優性の病因性変異であることが示唆されている<ref name=Gonzaga-Jauregui2015><pubmed>26257172</pubmed></ref><ref name=Hong2016><pubmed>26828946</pubmed></ref>。PMP2 I43Nは野生型タンパク質に比べ、PI(4,5)P2へ高い親和性を示し、SMのフリップを亢進する、機能獲得型変異であることが示唆された<ref name=Abe2021><pubmed>34758297</pubmed></ref>。

　aSMase（遺伝子SMPD1）はリソソームにおいて、SMの異化を担うホスホジエステラーゼ（SM phosphodiesterase, E.C. 3.1.4.12）であるが、常染色体劣性リソソーム病であるニーマンピック病A型およびB型（Niemann-Pick disease type A/B, NPA/B）の原因遺伝子でもある<ref name=Schuchman2017><pubmed>28164782</pubmed></ref>。NPA患者細胞では、酵素活性欠損により<ref name=Brady1966><pubmed>5220952</pubmed></ref>、基質であるSMがエンドソーム/リソソームに蓄積する<ref name=Kiyokawa2005><pubmed>15840575</pubmed></ref><ref name=Kiyokawa2004><pubmed>15274631</pubmed></ref><ref name=Yamaji1998><pubmed>9478988</pubmed></ref>。A型の患者は、生後1年以内に肝脾腫や発育不良を示し、急速に進行する神経変性を伴い、発達遅延が著しく、3年以内に死亡する。B型の患者では、中枢神経系の異常は見られないが、重度の肝脾腫や肝不全が現れ、血中の中性脂肪や低密度リポタンパク質（LDL） Cholレベルが高くなる<ref name=Schuchman2017><pubmed>28164782</pubmed></ref>。当該疾患では、後期エンドソーム・リソソームに局在するCholトランスポーターNPC1、NPC2欠損によるニーマンピック病C型と同様、Cholの蓄積が観察されるが、これはaSMase欠損により蓄積したSMがCholと相互作用することにより、NPC2によるChol輸送を阻害していると考えられる<ref name=Oninla2014><pubmed>25339683</pubmed></ref>。

　Sgms2-ノックアウトマウスでは、SMレベルが減少するが、インスリン感受性が亢進し、高脂質食誘導の肥満に耐性を示した<ref name=Li2011><pubmed>21844222</pubmed></ref>。Sgms1-ノックアウトマウスでは、インスリン分泌の減少、白色脂肪組織での酸化ストレス誘導が観察され、白色脂肪細胞の破壊と機能不全を生じた<ref name=Yano2013><pubmed>23593476</pubmed></ref>。

　SMS2は骨組織で高い発現レベルを示し、そのヘテロ接合変異が、常染色体優性遺伝疾患、腓骨ドーナツ病変を伴う骨粗しょう症（osteoporosis with calvarial doughnut lesions, O0-CDL: OMIM #126550）の原因変異として同定されている<ref name=Pekkinen2019><pubmed>30779713</pubmed></ref>。シビアな変異I62SやM64Rをもつ病原性SMS2は小胞体から出ることができず、小胞体でSM を合成/蓄積することで、細胞内の脂質プロファイルに変化を生じる<ref name=Sokoya2022><pubmed>36102623</pubmed></ref>。

3. ウイルス感染との関連

　ヒト免疫不全症候群ウイルス1型 (HIV-1, human immunodeficiency virus type-I)は、エンベロープウイルスであり、複製されたウイルスは、感染細胞の細胞膜で形成、出芽し、細胞外へ放出される。ウイルスエンベロープのリピドミクス解析では<ref name=Aloia1993><pubmed>8389472</pubmed></ref><ref name=Brugger2006><pubmed>16481622</pubmed></ref><ref name=Chan2008><pubmed>18799574</pubmed></ref><ref name=Lorizate2013><pubmed>23279151</pubmed></ref><ref name=Mucksch2019><pubmed>31776383</pubmed></ref>、SMが感染細胞の細胞膜に比べ濃縮されていることが報告されている<ref name=Chan2008><pubmed>18799574</pubmed></ref><ref name=Lorizate2013><pubmed>23279151</pubmed></ref>114]。これらの結果は、SM、Cholに特異的に結合するタンパク質（脂質プローブ）と先端顕微鏡技術の使用によって確認され、SM やCholが細胞膜上のウイルス形成部位に濃縮されることが観察されている<ref name=Favard2019><pubmed>31616784</pubmed></ref><ref name=Sengupta2019><pubmed>30936472</pubmed></ref><ref name=Tomishige2023><pubmed>37990014</pubmed></ref>。セラミド合成酵素阻害剤fumonisin B1処理は、産生されたウイルスの感染性を減少する<ref name=Brugger2006><pubmed>16481622</pubmed></ref>。宿主由来の中性スフィンゴミエリナーゼ（nSMase2）がウイルスに取り込まれ、その活性がウイルス成熟に重要であることが報告された<ref name=Waheed2023><pubmed>37406093</pubmed></ref><ref name=Yoo2023><pubmed>37406092</pubmed></ref>。nSMase2の薬理的、遺伝的阻害は、ウイルスプロテアーゼ活性低下によるウイルス成熟を阻害し、ウイルスの感染性を低下させる<ref name=Waheed2023><pubmed>37406093</pubmed></ref><ref name=Yoo2023><pubmed>37406092</pubmed></ref>。

C型肝炎ウイルス（Hepatitis C virus）のエンベロープのリピドミクス解析によって、SM、Cholエステルが濃縮されている一方で、PC、ホスファチジルエタノールアミン（PE）、ホスファチジルセリン（PS）、ホスファチジルイノシトール（PI）などが減少していることが明らかになっている<ref name=Merz2011><pubmed>21056986</pubmed></ref>。ウイルス粒子のスフィンゴミエリナーゼ処理は、ウイルスの取り込みを阻害し、ウイルスの感染性を低下する<ref name=Aizaki2008><pubmed>18367533</pubmed></ref>。また、細胞のスフィンゴ脂質生合成の阻害剤処理は、ウイルス産生を阻害する<ref name=Aizaki2008><pubmed>18367533</pubmed></ref>。

ウエストナイルウイルス（WNV）のエンベロープには、SMが濃縮されている<ref name=Martin-Acebes2014><pubmed>25122799</pubmed></ref>。感染細胞のnSMase阻害剤処理は、WNVの産生を減少する。WNVの感染はaSMase欠損マウスや、ニーマンピックA患者由来の細胞など、SMが蓄積していると考えられる細胞で増加する<ref name=Martin-Acebes2016><pubmed>26764042</pubmed></ref>。培養細胞へのSMの添加は、WNV感染を増加する一方で、SM合成阻害剤処理は、WNV感染を減少する。共焦点顕微鏡観察では、WNV感染細胞においてSMとWNV double-strand RNAが共局在する。このようにSMは、WNVの異なる二つのステップに重要な役割を果たしている。

インフルエンザA型ウイルス（IAV）もまた、感染細胞の細胞膜上の脂質マイクロドメイン“脂質ラフト”の感染と出芽への関与が報告されている<ref name=Eierhoff2010><pubmed>20844577</pubmed></ref><ref name=Verma2018><pubmed>30453689</pubmed></ref>。SM特異的な関与については、遺伝的あるいは薬理的にSMS1を阻害した細胞では、新しいウイルス粒子の成熟と産生が遅れることが報告されている <ref name=Tafesse2013><pubmed>23576732</pubmed></ref>。ウイルス粒子のスフィンゴミエリナーゼ処理は、感染性を低下し、ウイルスの膜への付着と細胞内への取り込みを阻害した。また、細胞のスフィンゴミエリナーゼ処理は、ウイルス感染、取り込みを減少し、細胞への外来性のSM添加は感染を亢進した<ref name=Audi2020><pubmed>32425895</pubmed></ref>。またSMとCholの複合体に特異的に結合するタンパク質、NakanoriによりMDCK細胞からのウイルスの出芽が抑えられた<ref name=Makino2017><pubmed>27492925</pubmed></ref>

　人工膜を用いて、NT-LysがLoドメインの、EqtIIはLdドメインのSM に結合するという差異が観察されている<ref name=Makino2015><pubmed>25389132</pubmed></ref>。これはNT-Lysがクラスター化したSM を好むのに対し、EqtIIは密度の低いSM に結合することを反映していると推測されている<ref name=Kobayashi2021><pubmed>37366372</pubmed></ref><ref name=Makino2015><pubmed>25389132</pubmed></ref>。

2. SM /Chol複合体特異的毒素・結合タンパク質

　キノコ由来のAegerolysinsは、二つのサブユニットから構成される孔形成毒素の約15 kDaの膜結合サブユニットである。類似したタンパクであるOstreolysin A (OlyA)<ref name=Skocaj2014><pubmed>24664106</pubmed></ref>、pleurotolysin A2 (PlyA2)<ref name=Bhat2013><pubmed>23918047</pubmed></ref>の脂質結合性が解析され、SM/Cholの複合体に結合することが報告された。OlyAは、Cholとの複合体形成時の極性頭部が膜面へ傾いたコンフォメーションのSM を認識することが推測されている<ref name=Endapally2019><pubmed>30712872</pubmed></ref>。これらのタンパク質のSM/Chol複合体に対する結合定数は非常に弱く、求められていないが、CPE/Chol複合体には高い親和性で結合する（OlyA, KD = 1.2 x 10-9 M; PlyA2, KD = 1.2 x 10-8 M）<ref name=Bhat2015><pubmed>26060215</pubmed></ref>。類似タンパクであるErylysin A (EryA) はCPE/Cholには結合するがSM/Cholには結合しない<ref name=Bhat2015><pubmed>26060215</pubmed></ref>

参考文献