Jpn. J. Protozool. Vol. 38, No. 2. (2005)

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Review

ツリガネムシ類とその Ca2+ 駆動収縮性スパズモネーム
浅井博

早稲田大学理工学部（院）生命理工学部門（現在：早稲田大学名誉教授）〒 169-8655 東京都新宿区大久保 3-4-1
郵便配達住所；〒 202-0004 西東京市下保谷 4-16-7

Ca2+-driven contraction of spasmoneme in Vorticellidae
Hiroshi ASAI
Major in Bio-Science and Bio-Engineering, Graduate School of Science and Engineering,
Waseda University, Tokyo 169-8555

１. はじめにらばらに収縮するのに対して、ズーサムニウムの枝分かれしたストークの全ては、一緒に収縮・再伸長をす
1-1.ツリガネムシのストークの収縮と再伸長る。レーヴェンフックが最初に観察した種は、おそら
くボルチケラ の一種であろう。著者がたまたま 16 ミ
ツリガネムシ類（Vorticellidae）は、釣鐘状またはベ リフィルムの画面中に紛れ込んでいるのを見たのも、ル状の虫体（zooid）とそこから細長く伸びた柄（茎、 ボルチケラであった。ツリガネムシの奇妙な再伸長のストーク）の部分から出来ている単細胞動物である。 ときの運動は、それ以来、脳裏に焼き付けられた。レー
Peritrich Ciliate に属する。ストークは、非常に速いコイ ヴェンフックと似た偶然の体験であった。レーウエン
ル状の収縮とゆっくりした再伸長をときどき繰り返 フックが体験した感想として Curtis (1967) がその本す。文献によれば、この一見して奇妙な運動の第一発 の中で、「あたかもこころを持った小動物がもだえ苦
見者は、光学顕微鏡を発明したガラス職人のレーヴェ しんでいるようにも見える」、と述べている。収縮すンフック（Leeuwenhoek）である。後で詳しく述べるよ るときの様子は、普通の速度のビデオなどでは、観察
うにツリガネムシ類には、一個の虫体と一本のストー できない。収縮は数ミリ秒前後で完了するからであ
クのみの真の単細胞からなる孤立形態のボルチケラ る。私のツリガネムシストーク観察の体験は、約 300（Vorticella ） と、コロニー状に枝分かれした型のカル 年近く遅れの 1965-6 年頃のことであった。それ以来自ケシウムとズーサムニウム（blanched Vorticellidae; 分で研究室を持つ事ができたら、是非研究テーマの１
Carchesium と Zoothamnium ）の２形態に分類される。 つにしたいと考えるようになった。研究発表のときカルケシウムは、その枝分かれしたストークが個々ば に、「ツリガネムシは、何のために収縮するのか？」

Tel/Fax: +81-424-24-8655
E-mail:asai@waseda.jp(Received: 28 June 2005)

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2005 年は、大変形を示す筋肉の収縮がゴム弾性的であると、素朴に考えていた。ツリガネムシの収縮性器官も、最初は筋肉繊維を意味するミオネームと最初は呼ばれていた。しかし、1958 年以降には、スパズモネームと呼ばれるべき器官となった。ちなみに、スパズモとは、痙攣的に収縮する、という意味である。グリセリン処
理した Vorticella sp.のストークがカルシウムイオン（Ca2+）のみや Ca2+と ATP で収縮するように観えるので、Hoffmann-Berling (1958) は、筋肉の一種にしてはあまりにも変な筋肉であると論文で発表している。その後の研究によって、ツリガネムシのストークの収縮は、確かに、Ca2+ のみの存在によって起こることが確かめられた。筋肉収縮や繊毛・鞭毛運動とはまったく異なり、ATP も直接的には必要としない第三の生物運動であることが、次第に確実となってきた。収縮のエ
ネルギー源は、当然のことながら、Ca2+ と Ca2+ 結合タンパク質との結合のエネルギーである。そこには酵素
反応は介入していない。スパズモネームの再伸長は、
図 1. 木の葉などに付着して棲息しているボルチケ
細胞質に分散していた Ca2+ 濃度を下げて、Ca2+ を回収
ラ。左の図は、ストークが伸びた状態で、頭部（Zooid、 することによる。筋小胞体様（Favard and Carasso,
その直径は約 40-60 ミクロン）も収縮していない。ス
1965; Carasso and Favard, 1966）の Ca2+ ポンプ機構が働
トーク内のスパズモネームの直径は約 1 ミクロンでくからである。だから、再伸長は非常におそい。したある。中の図は、スパズモネームが収縮していることがって、ツリガネムシのスパズモネームの収縮は、「純を示す。右の図は、ストークが再伸長している途中の物理学的現象であると同時に、生理学的または生物学状態を示す。頭部近くのストークの部分がまだやや的現象である」、と言える。
収縮したままである。図２のように、グリセリン処理
したボルチケラのストークでも再現できる。

1-2.ツリガネムシの種類

日本名ではツリガネムシは、ただ一種類のように思われるけれども、４種類ある。ただ一個のベル状の頭とよく質問されるが、その質問に正しく答えるのは大 部とそこから細長く伸びた柄（ストーク）をもったボ変難しい。何故ならば、枝分かれツリガネムシの一種 ルチケラは、孤立して木の葉などに付着して棲息しての中にストークは収縮しなくて、虫体のみ収縮する種 いる。春から初夏にかけて、どこの河川や沼にも見らであるエピスティリス（Epistylis）があるからである。 れる。一年を通じて安定して見付けられるのは、下水エピスティリスのストーク内には、複屈折性の細胞内 処理場の曝気槽で見付かる。 一年を通じて水温が安小器官が無い。強いて答えるとすれば、虫体中の未消 定しているからである。摂氏 20 度前後が一番よい棲化のバクテリア類を収縮の反動で、吐き出すためか、 息環境である。しかし、著者は観察したことが無いが、天敵であるワムシを驚かすためであろう。
摂氏 4 度前後の低温でも摂氏 40 度前後の高温でもボ
ツリガネムシのストークが収縮するのは、繊維状の ルチケラが棲息している、という報告もある（楠丘泰
収縮器官が存在するからである。実際、Schmidt（1940） 博士の個人的情報）。ボルチケラの付着形態には、比は、偏光顕微鏡でツリガネムシのストークが収縮する 較的群がって木の葉に付着しているものと、ほぼ等間ときに収縮性器官の複屈折が消失するのを観察して 隔でばらばらに生息しているものとある。どちらも実いる。複屈折がある細胞内器官とは、その器官の素材 験室で長期間培養できるが、ばらばらに生息する種のが繊維状であるという事である。複屈折性の細胞内繊 方が人工培養しやすい。学名には、300 種以上も記載
維の典型は、筋肉の F アクチンフィラメントとミオシ されていて、多少重複があるかもしれない（Kahl,
ンフィラメントである。複屈折が消失するというの 1935）。棲息環境によって形態が多少異なる可能性がは、収縮性器官の収縮のメカニズムがゴム弾性のよう あるからである。遺伝子レベルで分類を見直す必要がなものであることを暗示する。実は、1930 年代から あった（Miao et al., 2001; Itabashi et al., 2002）。緑ツリ
1950 年代の後半にかけて、殆どの高分子物理化学者 ガネムシと呼ばれる Zoochlorella を頭部に共生してJpn. J. Protozool. Vol. 38, No. 2. (2005)

図 2. グリセリン処理したボルチケラのストークの収図 3. 左の図は、カルケシウムの光学顕微鏡写真

縮と再伸長。外液のカルシウムイオン濃度の増減にで、図 1 の右に似ている。右の図は、ストーク

よって、収縮と再伸長を 100 回以上も繰り返せる。

の輪切り電子顕微鏡写真。ストークの端近くに

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スパズモネーム（直径は約 2 ミクロン）が存在している。伸長状態で、ストーク近くにスパズ
モネームが右ネジのラセン状に伸びているので、スパズモネームが直線的に収縮しても、巻き戻しによってストークは左ネジ状となる。

いる種もある。先に述べたようにカルケシウムのス
トークは、ばらばらに収縮する。一方、ズーサムニウ
ムのストークが同時に収縮するのは、収縮性繊維であるスパズモネームが枝を通じてすべて繋がっているからである。繋がっていれば、何故に収縮するのだろうか。それは、収縮の信号が筋小胞体様の Ca2+ 貯蔵庫
を通じて、Ca2+ 放出が起こるためであろう。細胞膜の興奮のための細胞内 Ca2+ 濃度よりもスパズモネームの収縮のための Ca2+ 濃度レベルの方が低い、と考えられる（Shiono and Naitoh, 1997）。その理由は、スパズ
モネームの収縮の起動が Ca2+-induced calcium releaseであるためだろう。孤立型の Vorticella の頭部とス
トークとの収縮運動の過程を高速ビデオ（1 秒当たり
9,000 コマのスピード）で観測したことがある。それを球状の頭部に摩擦抵抗を持ち長いバネで繋がった減衰調和振動子モデルで解析した。収縮は 9 ミリ秒で終了するが、収縮の時間発展の過程は、このモデルで良く一致した。しかし、バネのスプリング定数は、時刻ゼロではほぼゼロであり、その後 2 ミリ秒までほぼ直線的に上昇し、その後は一定のスプリング定数を保つことが出来た（Moriyama et al., 1998）。ツリガネムシの虫体とその近くのスパズモネームの収縮が、Ca2+induced calcium release を通じて起こったと考えられる。さらに、収縮の情報がその隣りのスパズモネームの収縮を逐次引き起こす。スパズモネームは、Ca2+ 放出の伝播を引き起こす能力を持っている、と言える。
枝分かれズーサムニウムの沢山のストークが一斉に収縮するように見えるのは、その理由による。
ところで、カルケシウムも、下水処理場の曝気槽や、流出堰で普通に見られる。河川や沼にも時たま見つけられるが、亜種として異なっているように見える。しかし、分類が難しいために C. polypinum という学名しか思いうかばない。図 1 に孤立形態の Vorticella sp. のポンチ画、図 2 に、グリセリン処理モデルの Ca2+ 収縮の各段階、図 3 の左側に、Carchesium sp. の写真、右側に、ストークの輪切り電子顕微鏡写真が載せてある。断面の下側にスパズモネームの断面が見え、とこ
ろどころに、筋小胞体様の顆粒が見える。
Zoothamnium で Zoo というのは、当然動物の意味であるが、thamnium は、ギリシャ語で樹木と言う意味である（Forrest，1879b）。通常ツリガネムシのストーク
内収縮器官の細長いスパズモネームの直径は 1 ～ 2µm であるが、枝分かれ Zoothamnium 種の中には、その幹部分のスパズモネームの直径が 20 ～ 40 µm もある
ものがある。Z. geniculatum Ayrton または Z. arbuscula
Ehrenberg で あ る（Forrest, 1879a; Wesenberg-Lund,
1925; Furssenko, 1929）。種のライフサイクルの詳細も記載されている。その幹の部分に、巨大なスパズモ
ネームを持つ。幹部分にある巨大なストークは、膝を折り曲げたように曲がるだけである。ちなみに、
geniculate または geniculation はフランス語や英語で、膝のように折れ曲がる、という意味である。中にある巨大スパズモネームは縦に収縮する。巨大スパズモ
ネームの端から根元にかけて、腱状（tendon）の細い136

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図 4. デンマークのヒラロッド市郊外の森林に囲まれた沼の睡蓮の葉の裏に付着して生息している巨大ズーサ
ムニウム（Zoothamnium geniculatum strain Hilleroed）。
全体の大きさは、約 3-5 ミリ。ストークの幹の部分が膝を折り曲げたように曲がっている。ストークには、沢山のワムシがたまたま付着していた。ストークの先端には体細胞（somatic cell）が付いている。ところどころに、
より大きな生殖細胞（reproductive cell、大きさは約 230ミクロン）が見える。

図 5. 埼玉県川越市郊外の伊佐沼近くの川で、発見された巨大ズーサムニウムの光学顕微鏡写真。デンマー
クのもの（図 4）よりもややスリムである。その他はほぼ似ている。A はすべてのストークが伸長している状態。B は収縮している状態。幹ストークは、膝のように折れ曲がっている。C は真上から撮ったもの。

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図 6. 埼玉県川越市郊外の伊佐沼近くの川の風景写真。川縁に沢山の葦が生えている。川の水質は、中性かややアルカリ性である。日本の酸性土壌にしては珍しい。秩父山中の石灰岩の Ca2+ が地下水を通じて、溶け出したと推定される。

繊維が伸びている。Wesenberg-Lund の論文に記載されている巨大ズーサムニウムは、デンマーク国コペン
ハーゲンの北約 30 キロの小都市ヒラロッドの沼で見付かる（図 4）。沼の睡蓮の葉の裏側（したがって水面下）に、付着して生息する。我々はこの種を発見される地名に因んで Z. geniculatum strain Hilleroed とも呼ぶことにしている。一方、Furssenko が記載している巨
大ズーサムニウムは、エストニアに近いロシアの小都市、ピーターホッフの川や池のカナダモの葉に付着して棲息している。Z. arbuscula Ehrenberg と呼んでいるが、Z. geniculatum strain Hilleroed と同種かどうか論文の図からだけでは判明できない。Ayrton（1903）は、巨大ズーサムニウム（Z. geniculatum と Z. arbuscula）
をイギリスでみつけ、両者の違いを論じている。その論文を読んだだけでは、違いが判然としない。百聞は一見にしかず、で両者を観察し、比較しないと分かりづらいことが後で分かった。ちなみに、arbuscula とは、
ラ テ ン 語 で 小 さ な 木 と い う 意 味 で あ る (Forrest，
1879b)。

当時大学院生であった森山は、
埼玉県川越市郊外の伊佐沼近くの川で、似た種を偶然に発見した（図 5）。
図 6 は、伊佐沼近くの川の風景である。梅雨のときに、川縁の葦や蚊帳釣り草の古い葉に付着棲息しているのが見付かる。発見された巨大ズーサムニウムは、ヒ
ラロッド市郊外の沼の睡蓮の葉に付着するものとは、一見やや異なってみえる。SDS-PAGE によるタンパク質分布の詳細は、かなり異なる。そこで前に述べたよ
うに、ヒラロッドの沼で発見される種を Z. geniculatum strain Hilleroed と呼び、川越市郊外で発見されたものを Z. arbuscula strain Kawagoe と呼ぶことにした訳である。この種でも巨大ツリガネムシのストークの幹の部分は、膝のように折れ曲がった様になる。これは、ドイツの Münster 市郊外の河川に、1970 年に発見された種と似ていた（Mueller, 1980a and 1980b）。また、Z.
geniculatum strain Hilleroed よりもやや小ぶりでもある。どちらの巨大型ズーサムニウムの虫体には、体細胞（somatic cell）に 相 当 す る も の と、生 殖 細 胞（reproductive cell）に相当するものと２種類の細胞が

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図 7. 川越産の巨大ズーサムニウムの生殖細胞が遊泳状態になったもの（図の左上）。他の 3 図は、遊泳していた生殖細胞が植物の葉に付着して、ストークを成長しつつある状態。

ある。どちらの巨大型ズーサムニウムでも、そのreproductive cell の直径は 230 µm もある。reproductive
cell の首の部分が外れると、遊泳形態になり、新天地をもとめて遊泳することになる（図 7）。これは、他のツリガネムシ類についても言える。遊泳形態の虫体の形態は、固着形態のときの虫体の形態よりもより亜
種の違いを反映している印象をもっているが、そのような研究はまだ始まっていない。
２．スパズモネーム収縮要素に共同的に吸着する Ca2+
個数1960 年代の末まで、ツリガネムシのストークの収縮メカニズムに関連する意味のある研究は、極限すれば、Hoffmann-Berling によるもののみであった。さらに、Ca2+ の特異的キレート剤である EGTA を使っていないという欠点があった。そのために、Townes andBrown（1965）は、ツリガネムシのストーク収縮性の
ｐＨ依存性について、複雑で奇妙な研究結果を発表してしまった。また、Levine （1956）は、Ca2+ のみならず Mg2+ などの 2 価のアルカリ金属イオン一般が、ツリ
ガネムシのストークの収縮を引き起こすという結果を得てしまった。Levine は 2 価の金属イオンの非特異的キレート剤である EDTA を使っていた。そのために、Mg2+ 溶液の試料中に混入していたマイクロモー
ラ程度の Ca2+ がストーク収縮を引き起こしたのだろう。実際に、軟性のガラス容器に保存していた蒸留水でもストーク収縮を引き起こす事がある。実は、
Hoffmann-Berling も EDTA を使用したが、容器または、
Mg2+ 溶液に Ca2+ が少なかったという幸運にめぐまれJpn. J. Protozool. Vol. 38, No. 2. (2005)

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ち Ca2+ 濃度充分のときには、TR = 1 となる。Ca2+ 濃度
が Km に等しくなると、TR は半分になる。勿論、n = 1のときには、酵素反応式や、ミグロビンの酸素吸着式と同じである。上の最後の式は、データの解析に便利である。
この Hill の式による Ca2+ 結合の解析法をストーク付きの V. convallaria に適用した。グリセリン処理した
V. convallaria の場合、ストークからスパズモネームを分離すると、変性しやすくなるので、ストーク付きでしか張力測定できない。Ca2+ 濃度を増加させていく時
は Hill パラメーターとみかけの解離定数は、それぞれn = 3.2 と Km = 0.40 µM になり、Ca2+ 濃度を減少させていく時は n = 2.5、Km = 0.16 µM となった。このことはスパズモネーム内の張力発生要素に約 3 個の Ca2+ が協同的に結合するとにより、張力発生状態になることを意味する（Moriyama et al., 1996）。Ca2+ 濃度の増加に伴う収縮過程と、Ca2+ 濃度の減少に伴う再伸長の過程で曲線が異なり、ヒステリシスループを描くのは、筋肉繊維などと同じである。ところで、グリセリン処
理した V. convallaria の場合、ストーク付きのスパズ
モネーム収縮の Hill パラメーターとみかけの解離定数は、簡便のためには、発生張力の測定ではなくて、ストークの長さの変化高であっても良いし、ストーク
2+2+のコイル数でもよい。したがって、へモグロビンの酸[ S ] + n[ Ca ] ⇔ [ S ⋅ ( Ca ) n ]素吸着やその他いろいろな構造変化を伴う現象に適用できる。
[ S ][ Ca 2 + ]nn
それ以前に行われた研究で、ストーク長の変化高の= K = Km2+
測定時には、約2 強という値を得ている（Asai et al.,[ S ⋅ (Ca ) n ]1978; Ochiai and Asai, 1981; Ochiai et al., 1984）。この場
伸長状態のスパズモネームの張力発生要素に、n 個 合には、図 2 で示したようにストークの場所で Ca2+ 依の Ca2+ が結合することによりその張力発生要素が張 存性が異なってくる。ストークの硬さ（Ochiai et al.,力を発生すると仮定すると、上に示す Hill の式が得ら 1983; Sugi, 1960）やスパズモネームの新鮮度が影響すれる。この式において[S]は伸長状態の張力発生要素、 るのかもしれない。したがって、収縮性繊維であるス[S・(Ca2+)n]は Ca2+ が結合した張力発生状態の張力発 パズモネームのみの張力測定の方が、ストーク外皮の生要素である。相対張力 Tr は free Ca2+ 濃度、[Ca2+]の 影響がないという意味で熱力学的にはより正確である。しかし、簡便法としては、どんな方法でもよい。
関数として以下のように表される。
研究とは、盲目の人が象を初めて触れて状態を探るよ
もしくはうなものだからである。いずれにしても、ツリガネム[ S ⋅ (Ca 2 + ) n ]1シのスパズモネーム収縮要素に吸着する Ca2+ 個数は=
TR =n[ S ] + [ S ⋅ (Ca 2 + ) n ]2 - 3 個であろうということになった。後で、収縮要素⎛ Km ⎞
1 + ⎜⎜⎟の主役は、カルモデュリンに似た Ca2+ 結合タンパク質2+ ⎟⎝ [Ca ] ⎠（スパズミン）であることが分かったので、妥当な数である。カルモデュリンは、4 個の活性 EF hands 構造
TRをもっているが、スパズミンの場合には、4 個の EF
log 10= n ( − pCa − log 10 K m )1 − TR
hands 構造のうちの一部が退化してしまっている場合が多い（Itabashi et al., 2003）。ところで、Ca2+ ではなとなる。n は Hill パラメーターと呼ばれる。Km はみか くて Tb3+ や Eu3+ などのランタノイドイオンや他の金けの平衡定数であり、平衡定数の逆数である。TR は発 属イオンを用いると、n は 6 近くの値をとるものと、3生した張力の相対値だから、最大張力のとき、すなわ 近くの値をとるものとの 2 種類に分かれることがたのだろう。上記の研究では、研究試料にエネルギー源となる ATP の残存が直接的に関係している可能性もあった。そこで、Ca2+ の特異的キレート剤である
EGTA を使用する必要の他、添加した ATP 分解酵素の存在中で、EGTA を用いて追試的な研究から始めようとした。1967 年頃のことである。グリセリン処理モデルを用いた研究は、変性し易く困難な面もあった。ス
パズモネーム収縮要素に Ca2+ が吸着すると ATP 無し
で確かに収縮することが分かった。しかし、似た結論
は、Amos が先に発表してしまった（Amos, 1971; WeiFogh and Amos, 1972; Amos, 1972）。また、吸着する Ca2+
個数は、1 個で収縮するという結論であった。収縮度と Ca2+ 濃度との関係がミハエル・メンテンの式に合ってしまったからである。実は、我々は V. convarallia を用いていたのに、彼はデンマークで採集される Z.
genigulatum strain Hilleroed を用いていたためである事が後で分かった。
グリセリン処理モデルの Ca2+ 励起収縮の実験デー
タの解析法を述べる。Ca2+ のみで収縮するのであるから、Ca2+ 結合タンパク質が収縮の主役であることは、確かである。その Ca2+ 結合タンパク質を含む収縮の最小単位をスパズモネーム収縮要素という事にする。

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図 8. ストークから分離した巨大スパズモネームの両端を太いガラス棒と細いガラス棒で固定した様子。細いガラス棒は、その曲がり度で、発生張力を測定できる。上の図は Ca2+ 不存在下で、その下は Ca2+
濃度が充分のとき。一番下の図は、長さ vs．張力の測定器具の模式図。

判った（Yokoyama and Asai, 1987）。さらに、Km の値
は、Ca2+ と同じイオン半径のときが一番小さく、それから外れると Km の値は大きく、したがって収縮のためには高濃度の金属イオンを必要とすることが分かった（Yokoyama and Asai, 1987）。多分、Mg2+ を用いれば 20 - 30 mM 必要となろう。しかし、この濃度では、スパズモネームは変性してしまう。収縮に間接的に関係する言わば収縮調節重金属結合部位の存在が推定された。実際に、V. convarallia などでは、次の節で述べるように Ca2+ 結合タンパク質が 3 - 4 種類もある（Yamada and Asai, 1982）。ゾウリムシやテトラヒメ
ナでは、
非カルモデュリン Ca2+ 結合タンパク質が 6 種

2005 年類もあることが判っている。筋肉におけるトロポニン
や軽鎖タンパク質のように、収縮調節タンパク質があっても変ではない。タンパク質の構造変化や機能変化を上の Hill の式を用いて調べるのは、応用も広く有用である。余談になるが、グリセリン処理ゾウリムシから Ca2+ キレート剤の EGTA 存在下で、未伸長のトリコシスト（non-discharged trichocyst）の抽出に成功した
ことがあった。未伸長のトリコシストは溶液中でのCa2+ 添加で非可逆的に伸長する、ことを発見した。論文にする前に念のために、文献検索したが、同じ
Hoffmann-Berling が殆ど知られないドイツ語の科学雑誌に記載していることを知り、がっかりしたことを覚えている。未発表だが、何と、伸長の Hill parameter, n,
は、7 に近かった（山崎達男の修士論文）。
前に述べたように Amos は、Z. genigulatum strain
Hilleroed の分離スパズモネームを用いて、その張力を種々の Ca2+ 濃度において測定し、n = 1.0 という結論を得た（Amos, 1975）。ミハエル・メンテンの式に合う
Ca2+ 吸着収縮という訳である。我々も、似た測定を試みた。この分離スパズモネームは、直径が 30 - 40 µm もあるので、張力測定に便利である。ただし、外皮からスパズモネームを分離するのに、手間と多少のコツを要する。発生張力は、細いガラス棒のたわみから測定する（図 8）。ちなみに、ボルチケラやカルケシウム
では、ストークからスパズモネームを引き抜くとき、約 6 倍に伸びるが伸びすぎて、変性してしまう。図 9に Z. genigulatum strain Hilleroed の分離スパズモネームを用いたデータが示されてある。n ≒ 1.5 － 1.7 となった（Asai et al., 1998）。先に述べたように、Amos は、n ≒ 1.0 と結論付けた。張力が半分のところを中心にして、縦軸の勾配を評価したからである（図 9 を参照）。差は小さいが、ことは、重大である。Ca2+ 結合に協同性があったか、それともまったく無かったかであるからである。協同性がある方が収縮を完了するのに短時間で済む事もある。張力が半分のところでは、勾配が 1 よりもやや小さい。これは、Km の値が異なる
スパズモネーム収縮要素が少なくとも 2 種類あることを暗示している。このデータを酸素吸着能が異なる
2 種類ヘモグロビン混合液のアロステリック転移に相当する式を使って解析すると、高結合部位の収縮要素と低結合部位の収縮要素の２種類ある事が分かる（図9）。ちなみに、Hill の式は、y = 1/2 近くのみで適用できる近似式なので使えない。どちらの収縮要素も Ca2+結合の共同性は、約 2 となった（解析法も含めて未発表）。ツリガネムシ類一般に云えることであるが、収縮の主役タンパク質は、スパズミン蛋白質そのものと考えて、今のところ矛盾は発生していない。しかし、大変形は、別のタンパク質がその役割りを担っている筈である。

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は、A 型と B 型の 2 種類でほぼ間違いない。後で述べる似た巨大型の Z. arbuscula strain Kawagoe の場合も 2種類である（Itabashi et al. 2003）。いずれの種からのス
パズミンもシステイン残基やトリプトファン残基を持たない。その点、通常のカルモデュリンと同じである。Hoffmann-Berling が、最初に見付けたことであるが、グリセリン処理ツリガネムシのストークの収縮性は、システイン残基化学修飾剤で処理しても、収縮性は、損なわれない。Amos 等も我々もそれを確かめていた。Zoothamnium sp. や Vorticella sp. のみを用いていたからである。Carchesium sp. のコロニーは、古くなると、自然に収縮性を喪失してしまうので、研究試料としては、使いにくい。また、培養も難しかった。
スパズミンの cDNA は、最初に V. convarallia で
Bhuse Jr．らが決定し（Maciejewski et al., 1999）、かな
り遅くなって、我々は、Z. arbuscula strain Kawagoe で決定した（Itabashi et al., 2003）。まわりの構造を含む
ゲノム gDNA は C. polypinum で２種決定している（Sugihara et al., 1999）。イントロンが 22 base pairs と当時の最小であったことは、注目に値する。植物起源の非カルモデュリン Ca2+ 結合蛋白質の cDNA は、
Chlamydomonas reinhardtii で、Huang 等が、最初に決定し、カルトラクチンと名付けた（Huang et al., 1988）。
続いて、Ogawa and Shimizu (1993) がカルトラクチンの cDNA をマウスの精子で決定している。ちなみに、
図 9. 分離した巨大スパズモネームの Ca2+ 濃度 vs．等
C. reinhardtii や Tetraselmis striata (Pleurastrophyceae)
尺性発生張力の関係の Hill の式によるプロット。そ
2+などの緑藻類の鞭毛の基部にも Ca2+ で収縮する微細の勾配が Ca 吸着の協同性を示す。多数の分離巨大
繊維器官（rizoplast）があることを Salisbury らは見付け
ズーサムニウムの平均をとってある。勾配が 1 のとていた(Salisbury
and Floyd, 1978)。ところで、浮遊形
きには、協同性がないことを顕す。
態のツリガネムシの繊毛基部の微細繊維構造が、固着状態になるときスパズモネームに分化することを、中島らは電子顕微鏡的に観察している（Nakajima et al.,1986）。真核細胞のセントロゾームでも非カルモデュ
リン Ca2+ 結合蛋白質を見付けた Salisbury は、それを３．Ca2+結合蛋白質としてのスパズミン
セントリン（centrin）と名付けた（Salisbury, 1989）。
Amos 等は、Z. genigulatum strain Hilleroed から Ca2+ しかし、cDNA の決定は、Huang からかなり遅れて決定
結合蛋白質を抽出した。分子量は約 20 kDa であった。 された（Errabolu et al., 1994）。けれども、最近は、ス
Amos は、このタンパク質をスパズミンと名付けた。破 パズミンも含めてセントリンという名前が区別なく
傷風に罹ったときのように、痙攣的な早い収縮を繰り 定着しつつある。ヒトやイーストなど沢山の非カルモ返すからである。ちなみに、破傷風毒素も spasmin ま デュリン Ca2+ 結合蛋白質の cDNA の決定をしたからたは spasmotoxin という。だから，我々は、スパスティ であろう。
ン（spastin）と名付け変えを試みたが定着しなかった（Yamada and Asai，1982）。我々の V. convarallia によ ４．Ca2+ 結合・収縮性の 3 nm 直径フィラメント
る研究では、分子量 18 - 23 kDa の Ca2+ 結合蛋白質がア
ツリガネムシのスパズモネームは、約 3 nm 直径
イソフォ－ムとして 3 - 4 種類あることが分かった（Yamada and Asai，1982）。似た分子量の Ca2+ 非結合 フィラメントの束から出来ている。試料をタングステ型の蛋白質も存在するかもしれない。これらの蛋白質 ン酸かウラニ－ル酢酸で負染色し、電子顕微鏡によっは、6 - 8 M の尿素溶液中でしか溶けない。Amos 等が て初めて観察される。図 10 に示してある。試料切片で抽出した Z. genigulatum strain Hilleroed のスパズミン は、見付けにくい。F-アクチンフィラメントの半分乃142

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図 10. ズーサムニウムからの細いフィラメントの束

図 11. グリセリン処理された川越産のズーサムニウの酢酸ウラニ－ル負染色による電子顕微鏡写真。

ムの巨大スパズモネームが、Ca2+ 存在下では著しく脱フィラメントの直径は約 2-3 ナノメーターである。

水していることを示す。幹ストークの両端が固定して束をほぐすのは難しい。

あるので、ストークは折れ曲がっていない。

至三分の一の直径しかないからである。電子顕微鏡用の試料切片で観察されている例は、真核単細胞生物のみである。ツリガネムシ・スパズモネームの 3 nm 直径
フィラメントの場合、負染色前に Ca2+ 添加した試料と逆に EGTA を添加した試料を電子顕微鏡観察で比較したが、構造変化や顕著な長さ変化は、見られなかった。一工夫が必要であろう。

で、体積が評価し易いという特徴をもっていた。巨大
スパズモネームの場合、水はゴムの場合と似たように可塑剤として働いている、と考えられる。何れにしても、大脱水とは、驚異的な生理現象である。他の生物器官を通じてこのような発見のその後の研究は、まだない。
種々の Ca2+ 濃度においてスパズモネームの長さに対する張力を測定すると、図 12 のようになる。張力なしでも、 巨大分離スパズモネームは、Ca2+ を加えると５．Ca2+ 励起による巨大スパズモネームの張力発生
約 70% に収縮する。図 12 の場合、その長さは 600 µm
張力測定による研究には、巨大スパズモネームを使 から 420 µm へ縮小する。さらに、Ca2+ がない状態で用するのが、便利であるが、巨大枝分かれツリガネム も全てのツリガネムシ類のスパズモネーム自然長は、
シは、川越市で見付けてしまったので、もうデンマー ストーク外皮を剥がす事によって少し収縮すると考クまで出かける必要はなくなってしまった。そして、 えられる。言い換えれば、自然の状態のスパズモネー
研究も進んだ。しかし、最近は、地球温暖化のためか ムは、ストーク外皮によって引き伸ばされた状態に採集できない年も増えている。図 10 に示したように、 なっている。このほうが Ca2+ 吸着によって素早く収縮
スパズモネームは、3 nm 直径フィラメントの束から するようになる、と考えられる。ちょうど引き伸ばさなっている。したがって、縦に収縮するのみである。 れたバネの止め金が外されたようなものである。ファ
そこで、そのストークは、折れ曲がる。一方、Vorticella イマンは、その力学教科書の中で、重力で駆動される
sp. や Carchesium sp. のストークが左ネジ状のコイル 柱時計のような仕掛け（ラチェット・メカニズムといになるのは、ストーク内で、スパズモネーム繊維が右 う）が 生 物 の 中 に あ る 筈 で あ る、と 言 っ て い る
ネジ状に存在しているからである。Vorticella sp. や （Feynman et al., 1963）。スパズモネームを構成する 3
Carchesium sp. のスパズモネームの複屈折は、収縮す nm 直径フィラメントは、バイオラチェット・メカニズ
ると著しく減少する（Schmitt, 1940）が、巨大スパズモ ムそのもの、と言って良い。バネ弾性的な構造と、基ネームの場合には、複屈折は期待したほど変化しな 質吸着または基質分解に伴う止め金が外し、またはそい。しかし、収縮によってその体積が約 1/4 に減少す のエネルギー伝播である。
実際に、図 12 をゴム弾性論（Treloar, 1975）によっることが発見された（Moriyama et al., 1999）。大変な
大脱水である（図 11）。スパズモネーム束の直径も収 て解析すると、Ca2+ が十分のときも、Ca2+ がないとき
縮によって小さくなるので、複屈折はあまり変化しな も、ゴム弾性的要素の分子量は，約 50 kDa となった。
いと解釈される。川越産のスパズモネームは、デン この値は、スパズミンの分子量の２倍半であることにマーク産のものに比べてその表面が滑らかであるの 注目したい。気体については、ボイル／シャールの法

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図 12. 種々の Ca2+ 濃度における巨大スパズモネームの長さに対する発生張力の関係図。Ca2+ 濃度の有無による曲線の面積から為された仕事が計算できる。

図 14. 巨大ズーサムニウムの長さ vs．張力の関係を極限まで行ったときの想像図。Ca2+ 濃度をゼロから充分量まで増加させたときの等尺性収縮と等長性収縮の理想図も矢印で載せてある。

AB
図 15. 実際に硬くて太目のガラス棒を用いたときのCa2+ 濃度 vs．張力の曲線（■）と細くて柔らかいガラ
ス棒を用いたときの Ca2+ 濃度 vs．張力の曲線（○）。

図 13. 等尺性張力の温度依存性の絶対温度表示図。熱変性のため測定は 35 度 C までのみ成された。A は Ca2+
不存在のときで、絶対温度がゼロのときに張力がほぼゼロであることを示す。ゴム弾性論やボイル・シャー
ルの法則に合致する。B は Ca2+ 濃度が充分のときで、
内部エネルギーの項に著しい温度依存性があること
を示す。

144

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図 16. カルケシウムのストークから 200 kDa タンパク質を抽出するのには、6 M グアニジン塩酸塩かまたは、
0.2% の SDS が必要であることを示す。右の電気泳動図は、20 kDa 近くのスパズミンなどは、8 M 尿素で抽出されるが、200 kDa タンパク質は、6 M グアニジン塩酸塩で抽出されることをしめす。200 kDa タンパク質は、
スパズモネームを失活させる化学修飾剤 DHNBS の特異的抗体と反応する。これは、200 kDa タンパク質がスパ
ズモネームの Ca2+ 駆動性収縮に必須であることを示す。

則という関係式がある。ゴム弾性論といっても熱力学
的には、この気体のガス圧に対する体積と似たような関係の式である。圧力または張力は、絶対温度に比例する（図 13A）。Ca2+ が十分のとき、分離スパズモネー
ムの張力は、ほぼ絶対温度に比例した。理想的なゴムに近いことが示されたと言える。Ca2+ がないときには、温度勾配が大きく、絶対ゼロ度にまで外挿すると、大きな負の張力となる（図 13B）。Ca2+ がないとき 3
nm 直径フィラメントの弾性的要素は、張力または、温度変化によって、融解度と結晶化度を変化させる、と解釈できる。高名な高分子化学者のフローリーは、融解／結晶化を筋肉収縮のモデルに提案したことがある。勿論、1930 年代から 1960 年代近くまで、多くの高分子物理学者や物理化学者は、「筋肉とは電荷を持ったゴムのようなものである」という夢を抱いていた。
その夢がツリガネネムシの 3 nm 直径フィラメントで実現された、と言える。
図 12 および図 14 は、まだ多くのことをもの語っている。長さを体積に、Ca2+ 濃度を温度に置き換えて考えれば、熱力学の建設の切っ掛けとなったカルノーサ
イクルと似た関係図である。長さ vs．力関係の面積から仕事が計算されるが、図 14 の伸長比 λ が 1 までの面積からエネルギーを計算すると、Ca2+ 結合のエネル
ギーの約 7% が仕事に費やされたことになるが、少なすぎる。
張力を Ca2+ 有り無しで長さが一致するところまで延長するとイモのような形の図 14 になる。その総面積を考えれば、エネルギーの仕事への変換効率
は、70% 近くになるかもしれない。また、高い張力では、Ca2+ 結合能（Km の逆数）は小さくなる筈である。
これも等圧および等張での Ca2+ 濃度対発生張力の実
験データ解析から証明されている。すなわち、柔らかくて細いガラス針で測定した張力対 Ca2+ 濃度の関係
式と、硬いガラス針で測定した張力対 Ca2+ 濃度の関係
式とを比較すると、後者の方が Km 値がおおきくなった。すなわち、張力が高いところで Ca2+ 結合能が低くなった(図 15)。スパズミンの Ca2+ 結合部位である EF
hand 部位近傍の構造が張力によって変化すること、言い換えれば、スパズミンは張力センサーであることを暗示している(Asai et al., 2001)。
3 nm 直径フィラメントに加えられた張力が Ca2+ 結合タンパク質であるスパズミンに伝えられ、その Ca2+
結合能を減少させたのであるから、スパズミン自身も強い弾性要素をもっている筈である。ただし、大きな変形の役割を担っているのは、スパズミンではなくて、その相補的な役割をもつ 50 kDa タンパク質だと考えられる。カルモデュリンと似た構造と機能を持っているスパズミンが大変形する筈がない。スパズミンとその受容 50 kDa タンパク質の複合体がファイマンの言うバイオラチェット・メカニズムである事が、ますます確からしくなった。ところで、3 nm 直径フィラJpn. J. Protozool. Vol. 38, No. 2. (2005)

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B

C

A

図 17. 枝分かれが多くて，成熟したカルケシウムと体細胞が数個のみの若いカルケシウムの写真。中央の B 図のように、収縮は体細胞に近い若いズーサムニウムでのみ起きることを示す。右の C 図は、全てのズーサムニ
ウムが収縮後で再伸長する途中の瞬間の写真図。

メントを引っ張れば Ca2+ が分泌されるので、機械受容器や圧力受容器にもなり得る(Asai et al., 2001)。

接的に関連する蛋白質を探索するのには、アミノ酸残基の化学修飾試薬を使用するのが良い。通常、化学修
飾試薬は、酵素などの活性部位に係わるアミノ酸残基
６．スパズモネームの化学修飾とスパズミン受容タン の研究に使用される(Asai and Morales, 1965)。この方パク法をスパズミンと相補的な役割を果たすタンパク質の有無の検索に使用された(Fang et al., 2002)。そこで、スパズミンが、Ca2+ 励起／駆動による収縮性 3 nm このもう１つの収縮に必須タンパク質の存在の決定
直径フィラメントの主要タンパク質である事は確か 的証拠は、次の実験で示された。酵素などタンパク質
であるが、それだけが主役とは考えられない間接的な の活性部位に関与するアミノ酸残基を調べるのには、
証拠は、沢山ある。まずフィラメントを 6 倍も伸長さ 特定の残基に特異的に反応する化学修飾試薬をまずせると変性する。0.3 - 0.4 M の KCl などで容易に変性 用いるのが便利である。もっとも特異的に良く反応すする(Asai and Ochiai, 1987; Ochiai et al., 1984)。35 度 C る試薬は、システイン残基修飾試薬である。他の化学以上の高温にさらしても変性する(Asai et al., 1998)、 修飾試薬は、システイン残基にも反応することが多pH 9 以上ではストークは収縮しない(Ochiai et al., い。幸いにして、スパズモネームは、活性システイン
1981)などである。これらの変性は、カルモデュリンと 残 基 を 持 た な い。そ こ で、2-Hydroxy-5-nitrobenzyl
似たスパズミンだけでは、絶対に説明できない。もっ bromide (HNBB)の水溶性類似のトリプトファン残基と変性しやすい高分子量のタンパク質も主役である 修 飾 試 薬 と し て dimethyl (2-hydroxy-5-nitrobenzyl)に違いない。この相補的役割をするタンパク質の探索 sulfonium bromide (DHNBS) が用いられた。DHNBSに多くの時間と労力が費やされた。スパズミンでも は、Vorticella sp. のストーク内のトリプトファン残基
0.6 - 0.8 M 尿素でしか溶けない。他のタンパク質は、さ を化学修飾して、収縮性を喪失させる事が分かった。
らに 0.6 M のグアニジン塩酸でしか溶けない（図 16）。 幸いにして、スパズミンはカルモデュリンと同じよう高分子量の可能性もあるし、例え溶けたとしても、溶 に、通常トリプトファン残基を持たない。そこで、こ剤を除いたときに活性が元に戻るという保証もない。 のストークの収縮性喪失は、非スパズミンであって活ある生理学的機能・生化学的機能に直接的または間 性トリプトファン残基を持つ新規のタンパク質であ

146

A

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B

図 18. 若いカルケシウムの DACM による化学修飾したときの蛍光顕微鏡写真。A は、Ca2+ 存在下。B は、Ca2+
不存在下。

る可能性がでてきた(Kono et al., 1997）。種によるが、ツリガネムシのストークには、非スパズミンで分子量が 40 - 200 kDa のタンパク質が 40% 近く存在する。C.
polypinum のストークの場合には、約 200 kDa に比較的多量のタンパク質があることが、SDS-PAGE で分かった（図 16）。トリプトファン残基修飾試薬の反応化合物が 200 kDa のタンパク質中のみに検出されれば、それが新規の非スパズミン収縮性タンパク質ということになる。タンパク質を抽出する実験には、グリセリン処理した大量の C. polypinum コロニーが用いられた。タンパク質の抽出の前に DHNBS で化学修飾した。
幸いに、反応した DHNBS の特異的抗体を入手する事が出来、200 kDa タンパク質がスパズミンと相補的な役割をする新規のタンパク質である、と結論付けた(Kono et al., 1999)。
他の全く予期しない方法によっても、上の結論を裏付ける次のような研究結果を得た。重要なことである
が、Vorticella sp. ではなくて C. polypinum の若いコロ
ニーを用いて、化学修飾実験を試みた。試しに、蛍光性のシステイン残基修飾剤としての和光純薬製 N-7dimethyl-amino-4methyl-coumarinyl- maleimide（DACM）を用いた。200 kDa のタンパク質が蛍光性を持てば、何ら の 役 に 立 つ と 考 え た。何 と、Vorticella sp. や
Zoothamnium sp. と異なって、C. polypinum のストーク
は、システイン残基修飾剤によってその収縮性を喪失したのである（Fang et al., 2005）。我々も Amos らもそうであったが、1958 年の Hoffmann-Berling 以来の先入観を打ち破れなかったのである。C. polypinum の場
合には、数個の枝のみを持つコロニーしかグリセリン
処理モデルの収縮実験に使えないし、大量培養も難しいからである。C. polypinum の古いスパズモネームは、自然のままでも変性しやすいが（図 17）、それは、一般にシステイン残基は、自然のままで酸化し易いからで あ る こ と を 気 付 く こ と に も な っ た。大 量 の C.

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polypinum コロニーからの抽出タンパクのうち 200
kDa タンパク質のみが蛍光ラベルされていることが分かった（図 18）。C. polypinum においては、200 kDa
タンパク質がスパズミンと相補的な役割をする新規のタンパク質である、と結論付けた（Fang et al., 2005）。
しかしながら、Vorticella sp. においては、200 kDa タ
ンパク質が見付からなかった。代わりに、50 kDa タン
パク質が、スパズミンと相補的な役割をする新規で重要なタンパク質である、傍証を最近得ている。
Vorticella sp.を用いた所、そのストークのヒスチジン残基がスパズモネームの収縮に重要なアミノ酸残基であることを示した。Diethyl-pyrocarbonate (DEPC)はヒスチジン、リシン、チロシンといった幾つかのアミノ酸残基と反応するが、pH 6.0 で、特にヒスチジン
残基の化学修飾性が高い。研究の結果、スパズモネー
ムの DEPC 化学修飾試薬の添加は収縮性を阻害することが分かった。同時に DEPC によるスパズモネーム
抽出タンパク質のアミノ酸残基修飾は、吸光度が 244
nm で、DEPC の濃度上昇に伴って増加することを示しているが、これは DEPC によって修飾されたヒスチジン溶液の特徴と一致する。Hydroxylamine 処理によって、DEPC 処理によるスパズモネーム収縮の損失は、一部回復した。次に、Ca2+ 存在下での DEPC による阻害が調べられた。その結果、2 mM Ca2+ 存在下では、
スパズモネームの収縮性が再現された。一方、DEPC
修飾スパズミンの Native-PAGE 結果は、Ca2+ 前処理に関係なく、Ca2+ 結合能力が変化しないことを示し、このことは必須のヒスチジン残基がスパズミンの Ca2+結合部位に存在しないことを示唆している。これらの結果から、スパズモネームの収縮における DEPC の影
響はスパズミンに対する修飾ではなく、スパズミン受容タンパク質と考えられる他のタンパク質を修飾したと結論づけられた。さらに、ヒスチジン残基を含む
タンパク質を同定するために、GST-spasmin を DEPC
存在下／非存在下の夫々で、スパズモネーム全抽出タ
ンパク質を同定したところ、約 40 kDa と約 50 kDa のタンパク質が DEPC に修飾を受けていることが分かった。さらに、免疫沈降法、SDS-PAGE および West-western Blotting により、ボルチケラのスパズモネーム
収縮性に必須でヒスチジン残基を含むタンパク質は、
50 kDa タンパク質であると結論付けることが出来た（Fang et al., 2005）。そこで、C. polypinum の 200 kDa
タンパク質は、分子進化の上で、Vorticella sp. の 50 kDa
タンパク質の 4 量体であった可能性が高い。それでは、Zoothamnium sp の場合には如何か？ 200 kDa タン
パク質も 50 kDa タンパク質もない。予備的な研究では、100 kDa の可能性が高いが、確かな事はまだ言えない現状である。

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図 19. 3 ナノメーター直径フィラメント中のスパズミン（20 kDa）とその受容タンパク質(50 kDa)の状態変化図。

像してもよい。Ca2+ 結合のエネルギーを利用して、弾性要素である相補的受容タンパク質の α へリックス
構造がランダムコイル構造に転移する、と考える。ラ
スパズミンは Ca2+ 存在下で、2 量体になり易く Ca2+ ンダムコイル構造になれば、エントロピーが増加して無しで、単量体にもどる性質がある。したがって、生 収縮のエネルギーまたは力になる。図 20 に示されて体の 3 nm 直径フィラメント中でも 2 個のスパズミン いるように、巨大分離スパズモネームの赤外線顕微分が一対になって存在している可能性がある。実際、V. 光光度計で赤外線スペクトルを調べたところ、1546/
convallaria と Z. arguskula Strain Kawagoe の GST- cm と 1534/cm の波数にスペクトル変化があり、それ
spasmin の分離タンパク質は、夫々 Ca2+ 無しでは単量 は、Ca2+ 添加によって、スパズモネーム蛋白質の二次体であるが Ca2+ 存在下では 2 量体を形成し易いこと 構造が、α へリックス構造からランダムコイル構造にが分かっている（未発表の研究）。Wiech et al．(1996) 変化したことを示している。変化量は、不明である。
は緑藻類とヒトのセントリンについて、似た報告をし α へリックス構造の変化は、スパズミンのみでも起きている。ところで、巨大スパズモネームでは Km の異 ているかもしれない。実際、純度は不明であるが、スなる 2 種の Ca2+ 結合部位
（即ち RF hand 構造）がある。 パ ズ ミ ン 溶 液 で CD 変 化 を 測 定 し た こ と が あ る
またそのスパズミンには A と B の二種類ある。
しかし （Yamada-Horiuchi and Asai, 1985）。この構造変化は、
その Ca2+結合をする EF hand 構造は C 端のもののみ 転移的である。結晶が溶けて液体になったのと同等でで、他の 3 つの EF hand 構造は退化してしまっている ある。フローリーが筋肉において提案した結晶化・融と考えられる(Itabashi et al., 2003)。一方のスパズミン 解の収縮モデルと同じである。スパズミンへの Ca2+ 結のみが収縮に機能している可能性もあるが、両方の可 合が、弾性要素としての相補的受容タンパク質の構造能性もある。実際は、どう成っているか分からないが、 転移をもたらしたのであるから，それはファイマンの図 19 のような構造のスパズミン・相補的受容タンパ いうバイオラチェット運動モデルそのものを提案しク質複合体モデルが考えられた。スパズミンはカルモ ていると信じる。ちなみに、ラチェットというのは、デュリンと同じように、ダンベル構造をしていて、そ 六角ネジのねじ回しや振り子式の柱時計の一方向的の細い糸状の相補的受容タンパク質のどこかに対に な運動のことである。筋肉の一方向的な滑り運動もラなって巻きついている。糸状の相補的受容タンパク質 チェットのメカニズムで運動している筈である。低分は弾性要素そのものである。Ca2+ 無しや、張力が無い 子物質で起きる分子衝突にのみでは、特定の方法へのときには、少なくとも部分的には、α へリックス構造 運動は、決して起こらない。このことは電磁方程式ををとっている。スパズミンに Ca2+ が結合すると、その 構築したマックスウエルが論じている。マックスウエ
構造と機能を少し変える。ヘモグロビンの酸素吸着に ルの魔（デモン）ともいう。スパズモネームでは、ス
伴うＲ状態から T 状態へのアロステリック転移を想 パズミンへの Ca2+ 結合のエネルギーによって止め金
７．スパズミン・相補的受容タンパク質複合体のラチェット収縮モデル

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図 20．巨大ズパズモネームの赤外顕微分光光度計によるスペクトル。厚み 50 ミクロンの水溶液中で測定。1534
cm-1 に負のピークが見える曲線が Ca2+ 存在下で、ランダムコイル構造が多いことを示す（下の曲線）。それが
α へリックス構造になると 1546 cm-1 に波数がシフトする。実際に、その曲線は、Ca2+ 不存在下のものである（データは中島淳による卒業論文より引用）。

がはずされ、スパズミンの相補的受容タンパク質の部
分的結晶構造の融解が起きると考えられる。ここで結晶構造の融解とは、タンパク質の α へリックスペプ
チ構造がランダムコイル構造に転移したり、β構造ペプチドのランダムコイル構造に転移したりすることを意味する。ランダムコイル構造は、ペプチドの両端の距離が小さいほうが安定であるから、収縮のための力（エントロピー力）や収縮を引き起こす事が出来る。
言い換えれば、タンパク質やゴムなどの高分子系では、その自由エネルギー（仕事をし得る熱力学的エネ
ルギーのこと）は、エントロピー的エネルギーとポテ
ンシャルエネルギーの二種のエネルギーをもっている。巨大分子とも言える固体物質の運動の基本はフック的な調和振動であり、高分子化合物ではゴム的な（したがって、エントロピー的な）ランダム運動だからである。蛋白質は、高分子化合物的な大変形の分子であると同時に、内部に疎水性基や水素結合で固まった固体であると言える。ペプチド構造の結晶化・融解の概念には、水素結合の生成と消失の概念が含まれる。一方、低分子物質からなるガスでは、分子運動のエネルギー（したがって、エントロピーによるエネル
ギー）のみであるし、結晶状態では、隣の分子との間の相互作用によるポテンシャルエネルギーをもっているだけである。ところで、中間状態の液体ではどうであろうか。この場合にも、自由エネルギーを仕事に変える端子をもっていないので、ラチェット的運動のモデルにはなり得ない。さらに、低分子物質の運動エ
ネルギー（または運動に代わりうるエネルギー）は１
モル当たり 3RT/2 であるのに対して、ATP 分解酵素反応をふくめて、基質結合反応のエネルギーは、上記のエネルギーの 8 倍、すなわち、12 RT の大きさである。
したがって、タンパク質機能の発現時に、そのタンパ
ク質内に分配されうる。また、自由エネルギーを仕事に変えるためには、その運動系（高分子系）が、少な
くとも三つの状態を持っていることである。横軸に状
態（または長さ）をとり、縦軸に外的張力（または伝達しうる張力）をとった場合に、その三状態は、一直線上にあってはならない。同じ直線上を往復するだけ
で，仕事にはならない。仕事の大きさは、三状態のなす面積であるからである。ツリガネムシのスパズモ
ネームの場合には、１）Ca2+ が結合していないスパズ
ミンの状態、２）張力・長さ依存であるが Ca2+ が結合しているスパズミンの状態、３）張力なしの結晶状態のスパズミンの受容タンパク質、４）張力に大きく依存し、結晶化・融解化の可能なスパズミンの受容タン
パク質の状態、の４状態が考えられる。重力による柱時計の仕掛けやネジ回しなどのラチェット的運動が、生物では、「ツリガネムシの Ca2+ 駆動収縮性 3 nm 直
径バイオフィラメントで実現した」、と言える。ところで、蒸気エンジンすなわちカルノーサイクルの場合には、１）低温・圧縮のガス状態、２）加温・圧縮のガス状態、３）爆発力をともなう膨張・高温のガス状
態、４）膨張・低温のガス状態、がある。言い換えれば、ツリガネムシのスパズモネームは、低温・高温の代わりに、Ca2+ 非結合・Ca2+ 結合を繰り返すカルノー
サイクル・エンジンとも言える。
より一般的に言及すれば、基質の結合と解離によって２状態のアロステリック転移を行うすべてのタン
パク質はモータータンパク質である。勿論、スパズミ
ンやセントリンも含めてすべてのカルモデュリン－Jpn. J. Protozool. Vol. 38, No. 2. (2005)

ファミリータンパク質もヘモグロビンもそうである。
実際に、ヘモグロビンは、酸素結合によってサブユニット間の距離を 7 Å も変化することが知られている。問題は考えているタンパク質内の変形または発生張力を伝える手段（他の受容タンパク質や器官が必要）をもっているかどうかであるにすぎない。ヘモグ
ロビンなどは水溶性であるので、勿論、変形は力として伝わらなくて、2 変形の間を往復運動をするだけである。その意味で、生物運動を行う真のモータータン
パク質は、その受容タンパク質を持っている筈である。
８．他分野への波及効果、特に真核細胞分裂の機構解
明へ向けて上のバイオラチェット運動モデルは、他のモーター
蛋白質としてのミオシン、ダイニン、キネシンなどへも基本的には適用可能である。Ｆアクチン上または微小管上で、2 つの結合点を持ったモーター蛋白質としてのミオシンまたは、ダイニン・キネシンが収縮・伸長を繰り返すと同時に 2 つの結合点の離脱・再結合を繰り返すと考えられる。この場合の収縮・伸長もスパ
ズモネームの場合と同じように、モーター蛋白質内のエントロピー的な変形と結晶化または融解の状態を繰り返す。エントロピー的な変形は、当然の事ながら張力・滑り速度依存的である。現在、分子的なメカニズムとしての筋肉収縮の研究が行き詰まっているのは、エントロピー的な変形の由来と、結晶化または融解の実体が不明だからである。研究の難しさは、ATP結合または、ATP 分解・その反応物の解離中に、一連の上記の状態変化が連続技として起きてしまうからである。ツリガネムシのスパズモネームの場合には、一連の状態変化を人為的に止めて観測・測定出来るか
ら運動性タンパク質としては、研究がやさしかった、と言える。すなわち、固体物質の運動の基本はフック的な調和振動であり、高分子化合物ではゴム的な（したがって、エントロピー的な）ランダム運動だからである。蛋白質は、内部に疎水性基が集まった固体であると同じに、可変的な性質を持つ高分子化合物であるからである。すべてのモーター蛋白質は、これらの性質を機能発現として進化した蛋白質と考えられる。この２つの機能が、単一の蛋白質内で発揮されるのか、
複合蛋白質内で起きるのかは、case by case であろう。
Corona fiber とか Fibrous corona と呼ばれる不定形のもやもやとした組織が中心体、核小体、キネトコアの周りにあることを、 2000 年の米国生物物理学会に出席のおりに知った。文献で調べたところ、それらは、
F アクチンを溶かす薬剤や微小管を溶かす薬剤でも消失しないし、1 M の KI 塩溶液でも溶けない（Wordeman

149

et al., 1991; Rieder，1982; Schibler and Pickett-Heaps,
1980; Pickett-Heaps and Carpenter, 1993; Paintrand et al.,
1992; Schnackenberg et al., 1998）。電子顕微鏡でも、細いためか組織切片では構造が繊維状のものかどうかは良く分からない。この Corona fiber とか Fibrouscorona とか呼ばれる不定形フィラメントが真核細胞分裂のミッシングリンクである可能性があるし、ツリ
ガネムシの 3 nm 直径フィラメントを想像させる。実際に、牛の小脳から塩や蛋白質変性剤で難溶解性のタ
ンパク質を抽出し、ボルチケラのスパズミン抗体に交差する数十 kDa のタンパク質を学生実験で見つけたことがあった。しかし、抗体の欠乏でその後の研究は中止することとなった。そこで、新しい研究計画として、同 調 培 養 し た HeLa 細 胞 を 研 究 材 料 と し、Zoothamnium の特異性の高い抗スパズミン 1 抗体
（Itabashi et al., 2003）を指標として、スパズミン類似タンパク質の探索が、板橋岳志を中心として再開することになった。何と、細胞質・細胞核の両方に抗スパズミン抗体が明瞭に標識された。さらに、抗スパズミ
ン抗体陽性蛋白質の分子量は、ウエスタンブロティン
グ法で解析したところ、スパズミンとは大きく異なる
高分子量の蛋白質が複数（68/71 kDa，55 kDa、55/70kDa）発見された（Itabashi et al., 2004）。高分子量が大きく異なっても、変に思う事はない。たとえば、筋肉のコネクチン／タイチンでは、巨大分子量であるが、既存の蛋白質類のモジュール構造になっているからである。
９．残された研究課題
身近において、まだまだ研究すべき課題は多い。残してしまった研究課題の第一は、当然に、弾性要素としてのスパズミン相補的受容タンパク質の cDNA である。分子量が異なるので、Carchesium と Vorticella とZoothamnium の３種でそれぞれ行わなければならない。標的となる蛋白質断片のペプチドを分離精製すれば、すぐに cDNA 増幅のマーカーになる。標的と技術的問題は既に解決しているので、残された課題は、「興
味を持つ人材とささやかな資金」のみである。 cDNAが決まれば、その蛋白質の物性研究が重要となってくる。
スパズミンやセントリンは、真核生物細胞では、ア
イソフォームとして、多数存在するので、それらの役割分担を決めなければならない。真核生物界全体にとって、極めて重要な課題である。スパズミンを収縮に直接関係する Ca2+結合タンパク質の名前であると定義するば、セントリンは、その生理学的・生化学的
役割分担は殆ど分かっていなくて、予想の閾を出ない（Salisbury, 2002）。それは、セントリンの対象蛋白質

150

原生動物学雑誌 第 38 巻 第 2 号とその役割が分からないからである。我々が発見した
HeLa 細胞中の高分子量のスパズミン様タンパク質やその受容蛋白質の構造は不明のままである。それが 3
ナノメーター直径のフィラメントを構成しているという保証もまったくない。実際、Suzaki, T.らは多くの真核細胞の核小体に Ca2+で収縮する繊維を発見したが、その直径は、3 ナノメーターよりも大きいということである（Arikawa et al., 2003）。唯一の例外は、ゾ
ウリムシの Ca2+チャンネルに Takahashi，M．ら(Gonda
et al., 2004)の発見したセントリンが関係しているというものである。
個々のスパズミンの EF hannd 構造の Ca2+結合能を調べると同時に、それをスパズモネームの収縮性のKm 値と比較しなければならない。それが成されれば、ツリガネムシの Ca2+ 駆動ラチェットモデルがより現実的なものになるである。
ツリガネムシのスパズモネームの主構成蛋白質は、スパズミンと弾性要素蛋白質であるが、ゴムの架橋の役目をする蛋白質も有るはずである。筋肉の β アクチニンや α アクチニンのような役割をする蛋白質である。弾性要素蛋白質よりも疎水性が高いと考えられる。

2005 年誉、板橋岳志、Fang, Jie の諸氏である。この場を借りて感謝の意を表する。また、研究材料の採集などに当たっては、柳生亮三、樋渡宏一、斎藤 実、盛下 勇 の諸先生に大変お世話になったことを記憶している。改めて感謝の意を表します。

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になった、と思う。大河小説のような科学研究の進行 Asai, H. and Ochiai, T. (1987) Dependence on ionicというのは、学生時代の私の先輩の一人が発した言葉
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びタンパク質は、すべてモ－ター蛋白質である、と言 Asai, H., Ninomiya,T., Kono, R-I. and Moriyama, Y.
えなくも無い。その熱力学的エネルギーは、当然に、(1998) Spasmin and a Putative Spasmin Binding Pro内部エネルギーとエントロピー項との和である。そのtein(s) Isolated from Solubilized Spasmoneme. J. Euk.
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に具現されるように設計されたのが、スパズミンとそ Asai, H., Yamamoto, S. and Sekimoto, K. (2001)の相補的 50/200 kDa タンパク質である。その意味で、Stretch-dependent Ca2+-Bindings to Spasmins in Ca2+大水和を含めて研究材料としての巨大スパズモネー
induced Contractile Spasmoneme Filaments. Bioムは、すべてのモ－ター蛋白質のモデルであり、概念
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である。モデルとか概念の提出は、物理学者の得意と Ayrton, W. (1903) On Zoothamnium geniculatum, A New
するべき分野である（樋渡宏一先生の言）。
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