川崎医療福祉学会誌
原Vol. 22

No. 2

2013

200 − 207著

マウスのタンパク質栄養状態と体毛タンパク質合成の関係について中村博範*1 金澤健一郎*2 松枝秀二*1

要約タンパク質・エネルギー栄養失調症では，毛髪が細くなり，脆弱化することが知られている．しかし，毛髪の構成成分の変化については，ほとんど調べられていない．毛髪の主要な構成成分はタンパク質で，それは主にケラチンタンパク質（Keratin proteins：KP）とケラチン付随タンパク質（Keratin-associated proteins：KAP）に大別される．この2つのタイプのタンパク質は，分子量（KP>KAP）とシステイン含有率（KP<KAP）に違いがある．そこで，本研究では，毛髪を構成す
るタンパク質の違いに着目して，タンパク質欠乏食を与えたマウスの体毛タンパク質組成の変化について調べ，タンパク質栄養状態と体毛タンパク質合成の関係について検討を行った．
背部の体毛を除去した8週齢の雄C3Hマウスに25%カゼイン食（標準食群）あるいは1%カゼイン食（タンパク質欠乏食群）を4週間与えた．タンパク質欠乏食群では，体重が有意に減少し，また，血清総タンパク質は標準食群よりも有意に低値となった．体毛中システイン含有率は，標準食群と比較してタンパク質欠乏食群では有意に低値となった．また，体毛タンパク質の電気泳動よる分析から，
タンパク質欠乏食群においてKAPの一部が減少していることが分かった．
これらの結果は，タンパク質栄養状態が，システイン含有率の高いKAPの合成に影響することを示唆した．

1 . 緒言ンパク質と比較すると高いが，KAPと比較すると低い．そのため，KPは毛髪のタンパク質においてタンパク質・エネルギー栄養失調症では，毛髪が．し低硫黄タンパク質と呼ばれている．次に，後者のかし，毛髪の構成成分の変化については，ほとんど

KAPは，分子量10～30kDaの球状タンパク質で，調べられていない．

システイン含有率が非常に高いという特徴がある．

細くなり，脆弱化することが知られている

1,2）

毛髪の主要な構成成分はタンパク質で，それは主

KAPは，アミノ酸組成によって，超高硫黄タンパに２つのタイプに大別される．１つは，中間径フィク質（Ultra High Sulfur Proteins：UHSP，システ

ラメントを構成するケラチンタンパク質（Keratin

イン含有率30%以上），高硫黄タンパク質（High

Proteins：KP）で，もう1つは，フィラメント周Sulfur Proteins：HSP，システイン含有率約20%）

囲のマトリックスを構成するケラチン付随タンパに分類され，マウス体毛や羊毛では，さらに高グリク質（Keratin-Associated Proteins：KAP）であシンチロシンタンパク質（High Glycine Tyrosine

る3,4）．前者のKPは，分子量40～60kDaの繊維状タ

Proteins：HGTP）が存在する5,6）．毛髪はこれらのンパク質で，Ⅰ型（酸性型）とⅡ型（中性/塩基性

タンパク質が分子間および分子内でジスルフィド結型）がある．KPは，システイン含有率（タンパク合（S-S結合）を形成することで強い構造安定性を質の構成アミノ酸に占めるシステインの割合）が維持し強固なものとなっている．
毛髪を構成するこれらのタンパク質は，毛包下部

約６%のタンパク質で，この割合は，他の組織タ*1 川崎医療福祉大学

医療技術学部

臨床栄養学科*2 独立行政法人（連絡先）中村博範 〒701-0193 倉敷市松島288 川崎医療福祉大学
E-Mail：hironori@mw.kawasaki-m.ac.jp

200

国立病院機構名古屋医療センター

201

中村博範・金澤健一郎・松枝秀二の毛乳頭に接する毛細血管から栄養素（グルコース

表１やアミノ酸）の供給を受けて合成される．毛包にお飼料の組成

けるタンパク質の合成は，他の組織タンパク質の合成よりも速いとの報告がある7）．また，タンパク質が不足した場合，血清アルブミン合成の減少よりも早い段階で毛髪のタンパク質の合成障害が生じるとの報告がある 8,9）．そのため，毛髪のタンパク質合
成は，栄養状態の影響をより受けやすいと考えられる．毛髪を構成するタンパク質の中で，特にKAPは多くのシステインが合成において必要となる．し
たがって，その合成はKPよりもタンパク質代謝あるいは含硫アミノ酸代謝の影響を受けやすいと推察される．毛髪を構成するKPとKAPの構成割合が栄養状態によって変化するかについては，毛髪を構成するタンパク質のKPとKAPの特徴の違いに着目して評価することができる．すなわち，KPとKAPはシステイン含有率が異なるため，その構成割合が変化すれば毛髪全体のシステイン含有率に変化が生じることになる．また，KPとKAPは分子量が異なることから，毛髪のタンパク質を電気泳動で分離して評価することができる．
そこで，本研究では，タンパク質栄養状態と毛髪のタンパク質合成の関係を明らかとするため，タンパク質欠乏マウスの体毛のタンパク質組成の変化について，体毛中システイン含有率および体毛抽出タ
ンパク質の電気泳動による評価から検討を行った．

2 . 方法2 . 1 試薬
試薬は，いずれも分析用またはその相当純度のものを購入し使用した．また，水はミリポア超純水製
造装置Simply Lab製の純水を使用した．

2 . 2 実験動物及び飼料

実験動物として，7週齢のC3Hマウス（雄，C3H/
HeJYokSlc）を日本エスエルシー株式会社から購入した．飼料は，粉末原料をオリエンタル酵母工業株
式会社から購入し，オリエンタル配合を基準として標準食（25%カゼイン）を調製した．また，タンパ
ク質欠乏食は，カゼインの配合割合を1%とし，αコーンスターチで熱量を調整した（表1）．

2 . 3 実験飼育

7週齢のC3Hマウスを購入し，標準食（25%カゼイン食）で1週間予備飼育を行った後，イソフルラ
ン麻酔下で背部体毛をバリカンと除毛クリーム（主成分：チオグリコール酸）で処理して実験に使用した．
実験飼育は，標準食群（Standard diet group：
ST群，13匹），タンパク質欠乏食（Protein-

deficient diet group：PD群，14匹）の2群に分け4週間行った．飼育は，室温23±2℃，湿度55±10%，
明暗サイクル12時間（8：00-20：00）で行い，1
ケージに1匹とし，飼料と水は自由摂食とした．体重および摂食量は毎日測定し，また，背部除毛部の写真を除毛直後を含めて1週間毎に撮影した．
実験飼育終了後，一晩絶食させ，イソフルラン
麻酔下で開腹して後大静脈から採血を行った．血液は，一晩冷蔵庫（4℃）に放置した後，遠心分離して血清を分離した．血清は分析まで冷凍保存（-50℃）した．体毛は，除毛部に新しく形成された体毛のみをバリカンで刈りとり，分析まで密閉式の袋に入れて室温暗所にて保存した．
本動物実験は，動物実験ガイドラインに従い，川崎医療福祉大学動物実験委員会の承認を得て行った（承認番号11-004）．

2 . 4 血清総タンパク質濃度の測定
血清総タンパク質濃度はLowry法 10）で定量した．タンパク質濃度はアルブミン標準液（ウシ血清
由来アルブミン）を用いて作成した検量線から求めた．

2 . 5 体毛中システイン含有率の測定
体毛中システイン含有率はMooreらのシステイン
測定法11,12）を一部改変して行った．
栓付試験管に体毛を約2mg量り入れ，過ギ酸（ギ酸：過酸化水素＝9：1，混合したあと1時間室温放置してから使用）2.0mlを加えて，まず，過ギ酸酸化（0℃，24時間）を行った．その後，ロータリー
エバポレーターで減圧乾固して過ギ酸を除去し，残渣に6M塩酸を2.0ml加えてホットドライバスで加水分解（110℃，24時間）を行った．加水分解後，塩酸を減圧下で除去し，残渣に0.1M塩酸2.0mlを加え溶解し，体毛の加水分解液とした．この加水分解液
1.0mlをあらかじめ0.1M塩酸で平衡化した強酸性陽マウスのタンパク質栄養状態と体毛タンパク質合成の関係について
イオン交換樹脂カラム（Dowex50W，直径7mm×
高さ70mm）にかけ，0.1M塩酸5.0ml（1.0ml×5回）
でシステイン酸のみを溶出させた．その溶出液を減圧乾固して，0.1M塩酸1.0mlで再溶解しシステイン
酸の測定用の試料とした．
体毛の加水分解液中の総アミノ酸とカラムで分離したシステイン酸は，それぞれニンヒドリン法13）で定量した．総アミノ酸量はロイシン当量としてロ
イシン標準液から求めた．また，システイン酸量はシステイン酸標準液から求め，その値をシステイン量とした．システイン含有率は，総アミノ酸量に占めるシステイン量の割合として算出した．

2 . 6 体毛抽出タンパク質の電気泳動

202

Image Jを使用し，デンシトグラムの作成と分子量の計算を行った．

2 . 7 統計処理

値は平均値±標準偏差で示し，2群間の比較はStudent's t-testを用いた．また，統計学的有意水準
は1%未満とした．統計処理には，統計ソフトにはIBM SPSS Statistics 19を使用した．

3 . 結果3 . 1 体重変化および総摂食量
各群の実験飼育開始時と終了時での体重の比較を図1に示した．実験飼育開始時の体重（g）は，ST群24.9±2.0，PD群24.6±1.6で，終了時は，ST群

体毛からタンパク質を抽出し，タンパク質のシス26.1±3.1，PD群17.2±0.7となった．ST群の終了時

テイン残基（SH基）を蛍光ラベルのモノブロモビの体重は，開始時と比較して有意ではないが増加しマン（MBB）で標識してから14），電気泳動によった．一方，PD群の終了時の体重は，開始時と比較て分離し定量的に評価を行った．

して有意に低下していた．各群の総摂食量（g/28

ネジ口マイクロチューブ（2.0ml）に 体毛を約2.5mgと破砕棒を入れ，ビーズ破砕機を使用して日）は，ST群113.4±8.5，PD群108.4±10.3で，2群間での有意差はなかった（図2）．

体毛を細かく破砕した．破砕棒を取り除き，抽出液（組成：8M尿素，2%SDS，62.5mM Tris-HCl，
pH6.8）400μlを加え，S-S結合の還元剤として200mMトリブチルホスフィンを10μl加えて，室温で5時間おいて体毛タンパク質を抽出した．その後，遠心分離し，上清40μlを別のマイクロチュー
ブにとり，そこに200mMMBB（アセトニトリルで溶解）を1μl加えて，室温遮光下で20分間放置してタンパク質のシステイン残基（SH基）を蛍光標識した．その反応液にサンプルバッファー（組成：62.5mMTris-HCl，pH6.8，2%SDS，40%グリセロー
ル，0.01%BPB）60μlを加えて遠心分離して上清をサンプルとして電気泳動に用いた．

図１

実験飼育開始時と終了時での体重比較

電気泳動（SDS-PAGE）は，Laemmli法に従い 15），
アクリルアミド濃度を分離ゲル15%，濃縮ゲル4%として，上記のサンプル15μlと分子量マーカー
10μlをそれぞれウェルにアプライして，電気泳動（トリス/グリシン/SDSバッファー，200V定電圧）を行った．電気泳動後，ゲルを固定液（メタノール：純水：酢酸＝5：4：1）中で15分間固定
し，その後，純水を入れ換えながら20分間洗浄した．洗浄したゲルをUVトランスイルミネーター上に置き，遮光フード（Bio-Pyramod）をかぶせて，365nmでバンドを検出し，デジタルカメラで撮影した．撮影後，ゲルをクマシーブリリアントブルー（CBB）で1時間染色し，純水で洗浄したあと，そ図２

実験飼育期間中の総摂食量

3 . 2 血清総タンパク質濃度の容器にキムワイプを入れて一晩放置して脱色し実験飼育終了時の血清総タンパク質濃度（g/dl）

た．CBBで染色したゲルをスキャナで読み取り分子

は，ST群6.0±0.7，PD群4.5±0.5で，PD群ではST

量の測定に用いた．画像解析は，画像処理ソフトの群と比較して有意に低値を示した（図3）．

203

図３

中村博範・金澤健一郎・松枝秀二

図５

実験飼育終了時における血清総タンパク質濃度

3 . 3 体毛の成長

体毛中システイン含有率

実験飼育期間中に除毛部に形成された体毛を実験飼育終了時に採取して測定した．

ST群とPD群の除毛直後も含めた１週間おきの除毛部の写真を図4に示した．除毛後2週間経過すると両群に差が出始め，PD群の体毛の成長に遅れがみられた．実験終了時（4週間後）にはST群の体毛はほぼ全て生え揃っていたのに対し，PD群では全て生え揃うことがなかった．

図４

除毛直後からの除毛部の変化（A）ST群：25%カゼイン食，（B）PD群：1%カゼイン食3 . 4 体毛中システイン含有率
実験飼育期間中に除毛部から新たに形成された体毛を採取し，そのシステイン含有率の測定を行った．体毛中システイン含有率（%）は，ST群12.7±
0.8，PD群10.4±0.6となり，PD群はST群と比較し

図６

体毛抽出タンパク質の電気泳動（SDS-PAGE）（A）ST群：25%カゼイン食，（B）PD群：1%カゼイン食
体毛抽出タンパク質をモノブロモビマン（MBB）で蛍光標識した
後，電気泳動で分離して365nmで検出した．また，画像処理ソフト
Image Jを用いてデンシトグラムを作成した．数値は，分子量マー
カーのバンドの位置を示す．

て有意に低値であった．（図5）．

3 . 5 体 毛 抽 出 タ ン パ ク 質 の 電 気 泳 動 （ S D S PAGE）
ST群とPD群の体毛から抽出したタンパク質の（e）17.1，（f）15.3，（g）14.6，（h）12.3であっSDS-PAGEのバンドとそのデンシトグラムを図6にた．蛍光検出したバンドのデンシトグラムにおい示した．検出されたバンドの分子量（kDa）は，て，ST群と比較してPD群の分子量20～25kDa（ｃ（a）56.6，（b）43.9，（c）23.5，（d）21.1，

およびｄ）のタンパク質が減少していた．

マウスのタンパク質栄養状態と体毛タンパク質合成の関係について

4 . 考察4 . 1 タンパク質栄養状態の評価

204

返す細胞の一つで 23），この分裂によって毛髪は成長する．メチオニンは，DNAのメチル基転移反応

マウスのように成長の早い小動物では，成長にとに関わるS-アデノシル-L-メチオニンや細胞増殖促進

もなうタンパク質の蓄積があるため，タンパク質の作用を示すポリアミンの前駆体となり 24），また，供給が十分であるかどうかは体重増加を指標としてタンパク質合成における開始コドンに対応するア

評価することが可能である16）．本研究では，25%カ

ミノ酸でもある．Reisは，羊にメチオニンの拮抗剤

ゼイン食を標準食とし，1%カゼイン食をタンパクであるエチオニンを投与した場合，羊毛の成長低質欠乏食として用いた．中田らによれば，マウスは下を引き起こしたと報告している 25）．このことか

体重当たりの飼料摂取量がラットの2倍で，カゼイ

ら，メチオニンはシステインの供給に寄与するだけンを使用した場合，マウスの飼料中タンパク質量のでなく，体毛の成長に直接関与すると考えられる．

至適量はラットのほぼ半分の10～12%と報告してい次に，システインと体毛成長の関係については，羊る17）．したがって，本研究で設定した1%カゼイン

へのシステイン投与が羊毛の成長を増加させるとの食はタンパク質欠乏食に相当する．実験飼育開始時報告がある 26）．体毛タンパク質のシステイン含有と終了時の体重は，標準食のST群では増加がみら

率は，体内の他の組織タンパク質や食肉タンパク質れた．このことから，標準食ではタンパク質の供給中のシステイン含有率が0.6～2%程度27）であること

量は十分であったと考えられる．一方，PD群ではを考えると非常に高い．そのため，体毛タンパク質

体重が有意に減少した．したがって，PD群では，の合成はシステインの供給によって制限されているタンパク質欠乏状態にあり，体タンパク質の分解と考えられる．したがって，PD群における体毛成が合成よりも優位な状態であったと考えられる．ま長の遅れは，タンパク質摂取の低下によって，メチた，血清総タンパク質濃度は，標準食のST群と比オニンとシステインの供給量が低下したことが原因

較してPD群では有意に低値となった．血清タンパとして考えられる．その他，体毛の成長にはエネル

ク質のうち，アルブミンの半減期はヒトでは約21日

ギーが必要である．毛包における細胞分裂やタンパであるが，マウスのような小動物は，代謝回転が速

ク質合成のエネルギーの基質としては主にグルコー

く，半減期は約2日である18）．そのため，マウスでスが利用される．毛包組織ではグルコースの嫌気的はタンパク質欠乏による影響が現れやすい．PD群

な解糖によってエネルギーが生成され，成長期毛のの血清タンパク質が低値を示したことからも，PDグルコース必要量は休止期毛の2倍に相当すると報群がタンパク質欠乏状態にあったことは明らかであ

告されている28）．PD群で用いた飼料はカゼインをる．

減らし，α-コーンスターチを添加して熱量を調整

4 . 2 体毛成長と栄養状態した．ST群とPD群では総摂食量に差がなかったこ

毛髪は，伸び続けることはなく，一定の周期性をとから，PD群ではむしろ糖質をより多く摂取して持って抜けていき，また新しい毛髪に生え変わる．

いたことになる．そのため，PD群においては毛包

毛包組織におけるこのサイクルのことを毛周期と呼組織へのグルコースの供給が低下していたとは考え

び，成長期，退行期，休止期の3段階がある．ヒト

にくい．したがって，体毛の成長の遅れは，エネルの毛周期は1本1本独立しており，毛髪は85～90%が

ギー不足が原因ではないと考えられる．また，ビタ

成長期にある．一方，マウスやラットではヒトとはミンやミネラルに関しても，25%カゼイン食も1%異なり毛周期はすべて同調している．本研究で使用

カゼイン食も同じ比率で添加しているため，その影したC3Hマウスは，毛周期が明らかとされており，

響はほとんどなかったと考えられる．

通常，生後45日～95日までは休止期である 19）．し4 . 3 体毛タンパク質合成の評価

かし，休止期にカミソリや除毛クリームで除毛する

体毛中システイン含有率（%）は，ST群（12.7±などの刺激が加わると成長期が誘導されることか

0.8）と比較してPD群（10.4±0.6）では有意に低値ら 20），本研究においては，体毛の成長期を誘導さを示した．体毛を構成するタンパク質は，主にKPせるため，あらかじめマウスの背部体毛を除毛処理とKAPに大別され，そのシステイン含有率は，KPした．

は約6%で，KAPのUHSPは30%以上，またHSPは約

PD群の体毛成長はST群と比較して遅れがみられ20%である．体毛全体のシステイン含有率がST群た．体毛成長に関する研究は羊において調べられで約13%であったことから，システイン含有率の低ており，含硫アミノ酸のメチオニンとシステイン

下は体毛を構成するタンパク質のうちKAPのUHSP

が体毛成長に大きく関与するとこが報告されていあるいはHSPの割合が相対的に低下していることをる 21,22）示す．

．毛母細胞は体内で活発に細胞分裂を繰り205

中村博範・金澤健一郎・松枝秀二

次に，マウスの体毛抽出タンパク質の電気泳動の結果は，PD群において，分子量の20～25kDaのタ

4 . 4 体毛中システイン含有率と栄養評価指標の関係

ンパク質の低下を示した．この20～25kDaはKAP

体毛中システイン含有率は，栄養評価指標であるの分子量に相当する．KAPはUHSPとHSP，そして

体重変化量および血清総タンパク質濃度と有意な正HGTPの3つに分けられ，このうちHGTPは10kDa前の相関を示した（図7，図8）．したがって，体毛中後であることからバンド（h）の位置がHGTPと推システイン含有率は，タンパク質栄養状態を反映す定される．したがって，20～25kDa付近のタンパクると考えられる．ヒトの毛髪と栄養状態の関係につ質はUHSPとHSPである可能性が高く，この結果は

いては，さらに検討していく必要があるが，ヒトのシステイン含有率の評価とも一致する．羊毛やラッ

毛髪は，マウス体毛よりもシステイン含有率が高い

トの体毛においては，含硫アミノ酸の添加によってため，KAPの構成割合がより高いと考えられる．

体毛中のシステイン量あるいは高硫黄タンパク質がそのため，ヒトの毛髪中システイン含有率について増えるという報告がある 29,30）．そのため，KAPのも，タンパク質栄養状態を反映する１つの指標にな

UHSPあるいはHSPの合成は，システインの供給にる可能性がある．しかしながら，ヒトの毛髪におい依存していると考えられる．また，Powellらは，毛ては，老化やホルモンによる影響，パーマや脱色・包におけるタンパク質の遺伝子発現を調べ，毛包下染色剤による影響，あるいは，服薬による影響など

部においてKPのⅠ型とⅡ型が最初に発現し，その栄養因子以外の要因が影響する可能性もあるため，

あとでKAPのHSPとUHSPが発現することを報告しそれらの影響の有無について同時に検討していく必ている 31）．したがって，タンパク質欠乏によって要がある．

システイン供給が低下した場合，システイン含有率が低いKPについては合成されるが，システイン含有率の高いKAPのUHSPあるいはHSPについては十分に合成されずに毛髪の形成が進むと考えられる．

5 . 結語本研究の結果は，タンパク質栄養状態が，システ
イン含有率の高いKAPの合成に影響するということを示唆した．

図７

体毛中システイン含有率と体重変化量の関係

図８

体毛中システイン含有率と血清総タンパク質濃度の関係使用したデータは，ST群とPD群を合わせたもの．

使用したデータは，ST群とPD群を合わせたもの．

文

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207

中村博範・金澤健一郎・松枝秀二

The Relationship between Protein Nutritional Status andHair Protein Synthesis in Mice
Hironori NAKAMURA, Kenichiro KANAZAWA and Shuji MATSUEDA（Accepted Nov. 6, 2012）
Key words：cysteine, hair, keratin, malnutrition, mice
Abstract
It is known that hair becomes thin and weak during protein-energy malnutrition. However, the changes in haircomponents have not been well studied. The main component of hair is protein, of which there are 2 types: keratin
proteins (KP) and keratin-associated proteins (KAP). These proteins differ in molecular weight (KP > KAP) andcysteine content rate (KP < KAP). In this study, we focused on the differences in hair proteins and examined changes
in the composition of hair proteins in mice fed a protein-deficient diet.
Eight-week-old male C3H mice, from which hair on the backs had been removed, were fed a diet containing 25%
casein (standard diet group) or 1% casein (protein-deficient diet group) for 4 weeks. In the protein-deficient dietgroup, the body weight was significantly decreased and the total serum protein levels were significantly lower thanthose in the standard diet group. The cysteine content rate in the hair was significantly lower in the protein-deficient
diet group compared to the standard diet group. Electrophoretic analysis of hair proteins indicated that there was adecrease in certain KAP in the protein-deficient group.
These results suggest that protein nutritional status affects the synthesis of KAP with high cysteine content during
hair formation.
Correspondence to：Hironori NAKAMURA

Department of Clinical Nutrition
Faculty of Health Science and Technology
Kawasaki University of Medical Welfare
Kurashiki, 701-0193, Japan
E-Mail：hironori@mw.kawasaki-m.ac.jp（Kawasaki Medical Welfare Journal Vol.22, No.2, 2013 200−207）