NCAM

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NCAM 1

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PDB Ortholog search: PDBe, RCSB
識別記号
記号英語版 NCAM1; CD56; MSK39; NCAM
その他ID OMIM英語版116930 MGI英語版97281 HomoloGene英語版40754 GeneCards: NCAM1 Gene
EC番号 2.7.11.1
RNA発現パターン
PBB GE NCAM1 212843 at tn.png
PBB GE NCAM1 209968 s at tn.png
その他参照発現データ
オルソログ
ヒト マウス
Entrez英語版 4684 17967
Ensembl英語版 ENSG00000149294 ENSMUSG00000039542
UniProt英語版 P13591 P13595
RefSeq (mRNA) NM_000615 NM_001081445
RefSeq (protein) NP_000606 NP_001074914
Location (UCSC) Chr 11:
112.83 - 113.15 Mb
Chr 9:
49.5 - 49.8 Mb
PubMed search [2] [3]

NCAM(エヌキャム、: NCAM)。別名は、N-CAM、neural cell adhesion molecule(下記「用語の注意」を参照)。英語の発音[1]。NCAMは、神経細胞グリア細胞骨格筋細胞、ナチュラルキラー細胞(NK細胞)の細胞表面にある「細胞-細胞接着」を担う細胞接着分子糖タンパク質である。神経軸索伸長、シナップス可塑性、学習記憶に機能している。CD56(CD分類)、Leu-19、 NKH1と同一分子で、 免疫グロブリンスーパーファミリー(immunoglobulin superfamily, IgSF)[2]の一員である。

用語の注意[編集]

NCAMの初期の名称であるCAMは、英語圏では混乱しやすい。「CAM」は「cell adhesion molecule(s)」の略称だが、日本語に訳すと「細胞接着分子」である。つまり、「CAM」は普通名詞や集合名詞であって、特定の分子を示す固有名詞ではないとも受けとれる。しかし、最初に命名した研究者が、特定の分子を示す用語に「CAM」を用い、固有名詞として扱った。となると、普通名詞や集合名詞の「細胞接着分子(cell adhesion molecule(s))」はどう書けばいいのだろう? その後、細胞の「細胞接着分子」も見つかり、「CAM」とは別物だとわかり、従来の「CAM」は、神経細胞で発見されたことに因み、「神経系の」(neural)を頭につけて、英語では、「neural cell adhesion molecule」、略してNCAM(N-CAM)と呼ぶようになった。ちなみに、肝細胞の「細胞接着分子」は、「肝臓」(liver)略号をつけてLCAM(L-CAM)と呼んだ。これで一件落着のように思えた。

しかし、「神経系の細胞接着分子(neural cell adhesion molecule(s))」でも、まだ、アプリオリに固有名詞と特定されない。普通名詞や集合名詞の印象もぬぐえない。その後、神経系の「細胞接着分子」が多数見つかるにつれ、用語の使い方が曖昧なまま拡散した。それで、現在、固有名詞として扱うとき、細胞接着分子の研究者は、固有名詞とわかるように「neural cell adhesion molecule(NCAM)」などと書くか、または、「neural cell adhesion molecule」なしに単にNCAM(N-CAM)と書く。とはいえ、無頓着に「neural cell adhesion molecule」と書く近隣分野の研究者は少なからずいる。専門分野が異なる科学者や事情を知らない一般人はもっと無頓着である。それで、現在でも、普通名詞、集合名詞、固有名詞としての用い方が混在している。とはいえ、日本語では、最初から「NCAM」(エヌキャム)としたため、特定の分子を示す固有名詞として扱われ、普通名詞や集合名詞と混同することはない。

発見の歴史的背景[編集]

発生生物学の歴史から入ろう。発生生物学では、数世紀にわたって観察されてきた発生過程の生命現象が、ここ数十年、現象を担うタンパク質遺伝子が同定され、顕微鏡の発達による微細な形態的観察も合わせ、分子レベルの相互作用で理解されるようになってきた。

1908年、米国・ノースカロライナ大学のウィルソン(HV. Wilson[3])は、色の異なる2種類の海綿を1つ1つの細胞までバラバラにしてから混ぜると、同じ色同士の細胞が集塊を作ることを発見した。この現象を細胞選別と呼ぶ。

1955年、米国・ロチェスター大学のドイツ系アメリカ人・ホルトフレーター(Holtfreter)の有名な実験では、黒イモリの予定表皮と白イモリの神経板を、1つ1つの細胞までバラバラにしてから混ぜると、両者は混ざり合って細胞集塊を作るが、細胞集塊の中で1つ1つの細胞は移動し、やがて予定表皮細胞は予定表皮細胞同士、神経板細胞は神経板細胞同士が集まる。つまり、細胞選別の結果、同じ細胞同士を選んで細胞接着する。

発生生物学の材料として、ウニやイモリが多用されていたが、1950年代、ニワトリマウスヒトなどの動物細胞を用いた細胞培養法が確立されていく。米国・シカゴ大学のイスラエル系米国人・モスコーナA.Moscona)が、トリプシンなどのタンパク質分解酵素による細胞解離法を開発し、細胞培養法を確立していく。継代培養(英:subculture)が可能な哺乳類細胞系(cell line)、細胞株(cell strain)、細胞クローン(cell clone)が次々と樹立されていく。

1950年代後半、モスコーナA.Moscona)は、高等動物の培養細胞を用いて、細胞を浮遊状態で旋回培養すると、もとの組織に近い細胞の集塊を作ることを発見した[4]。例えば、肝臓からの細胞浮遊液と腎臓からの細胞浮遊液を混合して旋回培養すると、一度、均一な細胞集塊をつくるが、徐々に、肝臓の細胞は肝臓の細胞同士、腎臓の細胞は腎臓の細胞同士と、同種の細胞同士の集塊を作る。これを細胞選別と呼ぶと前述した。一方、同じ種類の細胞だが、異なる動物種だと、均一の細胞集塊を作る(キメラになっている)。例えば、ニワトリの軟骨形成細胞とマウスの軟骨形成細胞の細胞浮遊液を混合して旋回培養すると、均一な細胞集塊をつくり、時間が経過しても、ニワトリ由来細胞とマウス由来細胞に分離することがない。

この、細胞選別はどのような分子が担っているのだろうか? 細胞分化のカギを握る分子ではないのか? 組織の特性を決める分子ではないのか? 発生における形態形成の主役ではないのか?

動物組織からバラバラにした細胞を旋回培養すると、接着する。この接着を担う細胞接着分子を探究することで、発生生物学の長年のなぞが、1970年代後半以降に解明されていくのである。つまり、最初に発見された「細胞-細胞接着」を担う細胞接着分子が、ここで扱うNCAM(1976年発見)である。数年遅れて、カドヘリン(1983年発見)も発見された。

発見[編集]

1970年代後半、米国・ロックフェラー大学GM・エデルマンの研究室が、培養細胞系でニワトリの神経網膜の細胞接着を担う分子を探索し、一連の研究を通して、基本的な事項をすべて解明した。以下、GM・エデルマン研究室の成果を書くが、GM・エデルマン研究室以外の研究者も、もちろん、現在の知見に大きく貢献している。

1976年。ニワトリの神経網膜細胞を培養し、タンパク質の限定分解で細胞表面のタンパク質断片を得た。そのポリクローナル抗体が細胞‐細胞接着を阻害したので、抗原を細胞接着分子(cell adhesion molecule)と推定し、CAMと命名した[5]

1977年。ニワトリの神経網膜の細胞接着を阻害するポリクローナル抗体の抗原としてCAMを精製した。140kDaのタンパク質だった[6][7]

1980年。ニワトリの細胞の細胞接着を阻害するポリクローナル抗体の抗原として上記のCAMとは別の、68kDaタンパク質を発見した。2つ目のCAMの発見だが、別の分子だから、肝臓(liver)由来にちなみ、L-CAM(のちにカドヘリンと判明)と命名した。上記のCAMは神経(neural)由来だから、N-CAMと改名した[8]

こう書くと単純だが、裏事情がある。

1つ目は、研究室の主宰者であるGM・エデルマン教授(Gerald Maurice Edelman、1929年7月1日 - )である。彼は、上記発見の4年前の1972年抗体の化学構造に関する研究でノーベル生理学・医学賞を受賞している。つまり、GM・エデルマンは、1960年(31歳)に博士号を取得し、すぐに、抗体の化学構造の解明に取り組み、1966年(35歳)でロックフェラー大学・教授に就任、1969年(40歳)に抗体の化学構造を解明し、1972年、43歳でノーベル賞を受賞した研究者である。若くして華々しい地位・名声・富を得、素晴らしい研究成果を挙げた研究者である。

その研究者が、2つ目のノーベル賞を意識して、ノーベル賞受賞後に、タンパク質化学から神経細胞生物学へと大きく舵を切ったのである。挑戦した研究テーマ「神経細胞の細胞接着分子」の「神経科学」分野および「細胞接着」分野は、どちらも、成果によってはノーベル賞が出ると予測された。「神経科学」分野は未開の生命科学領域であり、「細胞接着」分野は、上記「発見の歴史的背景」で説明したように、発生生物学で数十年来懸案の問題があり、それを分子レベルで解明できそうだったからだ。また、当然、研究室員に、質の高い研究成果を要求しただろう。

2つ目は、研究手法である。ポリクローナル抗体で新しいタンパク質を発見するのは、考え方は簡単だが、多大な人手と研究費が必要とされ、力でねじ伏せる実験方法だ。通常は余り用いられない。ノーベル賞を受賞した研究室、それも抗体の研究で受賞した研究室だからできたことだろう。

とはいえ、GM・エデルマン研究室でも、数年後だったら、ポリクローナル抗体は使わなかっただろう。モノクローナル抗体を使ったはずだ。事実、数年遅れで発見されたカドヘリン(1983年発見)では、モノクローナル抗体を使った研究が最初からされた。

1970年代、ドイツのジョルジュ・J・F・ケーラーとアルゼンチン生まれのセーサル・ミルスタインモノクローナル抗体の作製法を開発し、1984年、この開発でノーベル生理学・医学賞を受賞したが、GM・エデルマンがNCAMを発見した1970年代は、世界の先端的研究室でもノクローナル抗体作製技術を知らなかったのだ。1980年代初期なら普及していた。GM・エデルマンにとって不運なことは、ターゲットの設定・始動が数年早すぎたのである。超優秀な研究者でも、知る由もない時代の流れである。そう、「0.2歩先を進める」のが時代に受け入れられる生命科学だが、「一歩先」だったのだ。

構造[編集]

図 NCAMのドメイン構造

1984年、GM・エデルマン研究室は、NCAMのcDNAクローン分離に成功した[9]。しかし、この時、塩基配列を発表できていない。

1987年になって、GM・エデルマン研究室は、ようやく、cDNA塩基配列を発表した[10]

現在、NCAMは免疫グロブリンスーパーファミリー(immunoglobulin superfamily, IgSF)[2]の一員であることがわかっている。27種の選択的スプライシングされたmRNAがあり、多様なアイソフォームがある糖タンパク質である[11]

以下は、図「NCAMのドメイン構造」と対応されたい。基本的なドメイン構造は以下の通りだ。

  • 細胞外にN末端があり、ついで、免疫グロブリン (Ig)様繰返し構造(モジュール:小単位)が5つある免疫グロブリン様ドメイン(Igドメイン)となる。このIgドメインが細胞間の接着や認識を行なう部分で、同親性(ホモフィリック、同じものに親和性が高い)の細胞接着を担う。
  • ついで、フィブロネクチンIII型様ドメイン(FNIIIドメイン)がつづく。このドメインには、フィブロネクチンIII型モジュールが2つ(または1つ)ある。細胞内シグナル伝達を担い神経軸索の伸長を促す。
  • ついで、膜貫通ドメインあるいはGPIアンカー構造となる。
  • そして、細胞質ドメインにいたり、C末端で終わる。

図「NCAMのドメイン構造」に、溶性NCAMと、脳に存在する代表的な3つのアイソフォームを示すが、ポイントは、細胞質ドメインが異なる点である。

  1. NCAM-180kDa (細胞質ドメインが長い)
  2. NCAM-140kDa (細胞質ドメインが短い)
  3. NCAM-120kDa (GPIアンカー)
  4. 溶性NCAM

3番目のアイソフォーム「NCAM-120kDa」のGPIは、グリコシルホスファチジルイノシトール(glycosylphosphatidyl inositol)の略で、NCAM-120kDaは、この部分の共有結合で細胞膜に結合している。

4番目のアイソフォーム「溶性NCAM」は、細胞膜結合ドメインが欠けており、細胞膜上になく、細胞から分泌される溶性NCAM(soluble NCAM)である。

MSDドメイン:2つあるフィブロネクチンIII型モジュールの間に、1987年、37(35?)アミノ酸からなる筋肉細胞に特異的に発現するエキソンが見つかり、MSD (Muscle Specific Domain)ドメインと命名された。脳や神経には発現されない筋肉型のアイソフォームで、分子量が少し大きいNCAM-125、 NCAM-145、NCAM-185をもたらす[12] 。MSDドメインはO-結合型グリコシル化(糖鎖付加)サイトがあり、筋芽細胞の細胞融合を促進する[13]

VASEエキソン:Igドメインの4番目のIgIVモジュールに、1990年選択的スプライシングを受ける細胞外の30塩基対のエキソンが発見され、VASE (VAriable domain Spliced Exon) エキソンと命名された[13] 。細胞選別では、VASEエキソンがある分子を発現する細胞同士、あるいは、VASEエキソンがない分子を発現する細胞同士が同親性(ホモフィリック、同じものに親和性が高い)の接着をする[14]

Igドメインの5番目のIgVモジュールに、翻訳修飾として、ポリシアル酸(polysialic acid、PSA)の付加が起こるというグリコフォーム(glycoforms)がある。ポリシアル酸が付加すると、同親性の細胞接着能は低下し、細胞移動やがん細胞の浸潤が抑制される。ポリシアル酸は記憶学習に重要で、酵素・エンドニューラニミダーゼ(endoneuraminidase、EndoN) でポリシアル酸を除去すると、シナプスの伝達効率が増加する長期増強(long-term potentiation:LTP)を駄目にし、シナプスの伝達効率を低下する長期抑圧(long-term depression:LTD)も駄目にする[15][16][17]

遺伝子ノックアウト[編集]

NCAM遺伝子を人為的に欠損(ノックアウト)させたマウスを作ると、致死ではなく、成体まで成長し生殖能をもっていた。ただし、脳重量が10%少なく、嗅球の大きさが2/3で、空間学習能、記憶運動に欠陥があった。分子レベルの仕組みを探ると、脳や神経筋接合部[18]シナプス神経伝達物質の放出と回収が遅くなっていた[19][20]

細胞接着[編集]

細胞-細胞を担う細胞接着分子の別のグル-プにカドヘリンがあるが、カドヘリンの細胞接着はCa++に依存する。一方、ここで扱うNCAMを代表とする免疫グロブリンスーパーファミリー(immunoglobulin superfamily)はCa++に依存しない[21]。Ca++があってもなくても接着する。

NCAMは、同親性(ホモフィリック、同じものに親和性が高い)の細胞接着分子である。相手の細胞の細胞表面(トランス結合)の同じNCAMと結合する。あるいは、1つの細胞の同じNCAM同士とも結合する(シス結合)。

トランス結合では、IgドメインのIgIとIgIIが逆平行で結合する。シス結合では、IgIとIgII、IgIとIgIIIが結合する。シス結合が起こることで1つの細胞の細胞表面にNCAMの集団が形成される。

応用・医薬品[編集]

  • がんの診断・・・病理解剖の分野で病理医は、CD56(NCAM)の抗体を用いた 免疫組織化学 で、がんの診断をする[22]
  • 抗がん剤・・・NCAMは正常組織に発現しているが、強く発現しているがん組織では、NCAM抗体の抗がん剤が開発されている。NCAM抗体に細胞毒のメイタンシン(maytansine)DM1を組み込んだhuN901-DM1が、米国・マサチューセッツ州のイミューノゲン(ImmunoGen)社で小細胞肺がんの治療薬として開発された。2007年、第II相の臨床研究では、副作用が許容でき治療に有望に思えた[23]。しかし、2013年8月、イミューノゲン社のサイトでIMGN901(huN901-DM1) を見ても、第II相のままで認可された治療薬になっていない。
  • 抗がん剤・・・NCAMを用いたドラッグデリバリーシステム抗がん剤が開発されている。テルアビブ大学のEla Markovskyの2012年の講演(動画)を引用する[4][24]
  • 頭が良くなる薬・・・NCAMは脳の記憶や学習に関係している。NCAMのミメティックス(模倣薬)として、IgIIモジュールとIgIIIモジュールに結合するデカペプチド(DVRRGIKKTD、10アミノ酸)が2010年に合成され、プラネキシン(plannexin)と命名された。海馬神経の初代細胞の神経軸索を伸長し、ラットの空間認識を増強した[25]。開発されれば、いわば記憶増強薬でもある。ヒトにはまだ適用されていない。

脚注・引用文献[編集]

  1. ^ NCAMの英語の発音
  2. ^ a b 免疫グロブリンスーパーファミリー(immunoglobulin superfamily) - 脳科学辞典
  3. ^ HV. Wilson
  4. ^ Moscona A (Jan 1957). “THE DEVELOPMENT IN VITRO OF CHIMERIC AGGREGATES OF DISSOCIATED EMBRYONIC CHICK AND MOUSE CELLS”. Proc Natl Acad Sci U S A 43 (1): 184-194. PMID 16589996. 
  5. ^ Rutishauser U, Thiery JP, Brackenbury R, Sela BA, Edelman GM (Feb 1976). “Mechanisms of adhesion among cells from neural tissues of the chick embryo”. Proc Natl Acad Sci U S A 73 (2): 577-581. PMID 54921. 
  6. ^ J P Thiery, R Brackenbury, U Rutishauser, G M Edelman (Oct 1979). “Adhesion among neural cells of the chick embryo. II. Purification and characterization of a cell adhesion molecule from neural retina”. J Biol Chem 252 (19): 6841-6845. 
  7. ^ Brackenbury R, Thiery JP, Rutishauser U, Edelman GM (Oct 1979). “Adhesion among neural cells of the chick embryo. I. An immunological assay for molecules involved in cell-cell binding”. J Biol Chem 252 (19): 6835-6840. 
  8. ^ Bertolotti R, Rutishauser U, Edelman GM (Aug 1980). “A cell surface molecule involved in aggregation of embryonic liver cells”. Proc Natl Acad Sci U S A 77 (8): 4831-4835. PMID 6933535. 
  9. ^ Murray BA, Hemperly JJ, Gallin WJ, MacGregor JS, Edelman GM, Cunningham BA (Sep 1984). “Isolation of cDNA clones for the chicken neural cell adhesion molecule (N-CAM)”. Proc Natl Acad Sci U S A 81 (17): 5584-5588. PMID 6089213. 
  10. ^ Cunningham BA, Hemperly JJ, Murray BA, Prediger EA, Brackenbury R, Edelman GM (May 1987). “Neural cell adhesion molecule: structure, immunoglobulin-like domains, cell surface modulation, and alternative RNA splicing”. Science 236 (4803): 799-806. PMID 3576199. 
  11. ^ Reyes AA, Small SJ, Akeson R. (1991). [http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?tool=pmcentrez&artid=369464 “At least 27 alternatively spliced forms of the neural cell adhesion molecule mRNA are expressed during rat heart development”]. Mol Cell Biol. 11 (3): 1654-1661. PMC 369464. PMID 1996115. http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?tool=pmcentrez&artid=369464. 
  12. ^ Dickson G, Gower HJ, Barton CH, Prentice HM, Elsom VL, Moore SE, Cox RD, Quinn C, Putt W, Walsh FS (Sep 1987). “Human muscle neural cell adhesion molecule (N-CAM): identification of a muscle-specific sequence in the extracellular domain”. Cell 50 (11): 1119-1130. PMID 2887295. 
  13. ^ a b Suzuki M, Angata K, Nakayama J, Fukuda M. (2003). “Polysialic acid and mucin type o-glycans on the neural cell adhesion molecule differentially regulate myoblast fusion”. J Biol Chem. 278 (49): 49459-49468. doi:10.1074/jbc.M308316200. PMID 13679364. 
  14. ^ Chen A, Haines S, Maxson K, Akeson RA (Aug 1994). “VASE exon expression alters NCAM-mediated cell-cell interactions”. J Neurosci Res 38 (5): 483-492. doi:10.1002/jnr.490380502. PMID 7815468. 
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  16. ^ Stoenica L, Senkov O, Gerardy-Schahn R, Weinhold B, Schachner M, Dityatev A. (2006). “In vivo synaptic plasticity in the dentate gyrus of mice deficient in the neural cell adhesion molecule NCAM or its polysialic acid”. Eur J Neurosci. 23 (9): 2255-2264. doi:10.1111/j.1460-9568.2006.04771.x. PMID 16706834. 
  17. ^ Senkov O, Sun M, Weinhold B, Gerardy-Schahn R, Schachner M, Dityatev A. (2006). “Polysialylated neural cell adhesion molecule is involved in induction of long-term potentiation and memory acquisition and consolidation in a fear-conditioning paradigm”. J Neurosci. 26 (42): 10888-10898. doi:10.1523/JNEUROSCI.0878-06.2006. PMID 17050727. 
  18. ^ 神経筋接合部 - 脳科学辞典
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  21. ^ Brackenbury R, Rutishauser U, Edelman GM (January 1981). [http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?tool=pmcentrez&artid=319058 “Distinct calcium-independent and calcium-dependent adhesion systems of chicken embryo cells”]. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 78 (1): 387-391. doi:10.1073/pnas.78.1.387. PMC 319058. PMID 6165990. http://www.pubmedcentral.nih.gov/articlerender.fcgi?tool=pmcentrez&artid=319058. 
  22. ^ CD Markers - CD56
  23. ^ Jensen M, Berthold F. (2007). “Targeting the neural cell adhesion molecule in cancer”. Cancer Lett. 258 (1): 9-21. doi:10.1016/j.canlet.2007.09.004. PMID 17949897. 
  24. ^ テルアビブ大学のEla Markovskyの2012年の講演。講演タイトル「Targeting cancer stem cells with NCAM-assisted delivery of nano-scaled polymer therapeutics」 - YouTube[1] 動画(英語)19分43秒 2013年8月16日閲覧
  25. ^ Kraev I, Henneberger C, Rossetti C, Conboy L, Kohler LB, Fantin M, Jennings A, Venero C, Popov V, Rusakov D, Stewart MG, Bock E, Berezin V, Sandi C (Aug 2011). “A peptide mimetic targeting trans-homophilic NCAM binding sites promotes spatial learning and neural plasticity in the hippocampus”. PLoS One 6 (8): e23433. doi:10.1371/journal.pone.0023433. PMID 21887252. 

全体の参考文献[編集]

関連項目[編集]

外部リンク[編集]