質問: 大隅良典が分子レベルで解明した、細胞自身が不要なたんぱく質を分解する、「自食作用」ともいう生物の仕組みとは何?
回答: オートファジー

タイトル: オートファジー
細胞が生命活動を行うためには、必要な遺伝子を発現させて、タンパク質などの生体高分子を生合成する必要がある。タンパク質はアミノ酸からなる高分子であり、細胞が生命活動を行うためにはその材料となる必須アミノ酸を、栄養源として細胞外から取り込む必要がある。個体が飢餓状態におかれて栄養が枯渇し、アミノ酸の供給が断たれることは、細胞にとっては生死に関わる重大なダメージになりうる。飢餓状態で細胞分裂が行われると、染色体の数などに異常が生じやすくなり、これががんの原因にもなる。しかしオートファジーが働くことによって、細胞は一時的にこのダメージを回避することが可能で、染色体数などの異常を抑制し、がんなどの病気の発生を予防している。

タイトル: オートファジー
細胞は、タンパク質を新たに作り出す機構だけでなく、作ったタンパク質が不要になった場合に分解する機構も持っている。この機構をタンパク質分解と呼ぶが、これにはの二つの主要な機構が存在する。ユビキチン-プロテアソーム系では、分解するべきタンパク質の一つ一つに、ユビキチン分子が複数結合することでプロテアソームにより認識されて分解されるというかたちで個々のタンパク質ごとの分解が行われるのに対し、オートファジーでは、一度に多くのタンパク質が分解される。このためオートファジーによるタンパク質分解のことはバルク分解とも呼ばれる。

タイトル: 細胞内膜系
また、リソソームは加水分解酵素を利用して、老化した細胞小器官を分解することで、分解産物を細胞小器官の材料などとしてリサイクルする。この過程はオートファジーと呼ばれる。リソソームは他の細胞小器官を飲み込み、その酵素を使って取り込んだ物質の分解を行う。リソソームの最後の機能は、細胞自体を分解する自己分解 (autolysis) である。先端小体(英語版) (Spitzenkörper、スピッツェンケルパー) は菌類のみに見つかる細胞内膜系の構成要素であり、菌糸の先端の成長と関連している。細胞壁の構成要素を含む小胞が凝集した暗色の構造体で、ゴルジ装置と細胞膜の中間点として機能し、細胞壁の構成要素の集合と放出が行われる。先端小体は運動性で、前進するにつれて新たな先端が作り出される。細胞膜はリン脂質の二重層からなる膜で、細胞を環境から分離し、細胞内外への分子やシグナルの輸送の調節を行っている。

タイトル: オートファジー
オートファジーが起きると、細胞内に常に存在しているタンパク質(ハウスキーピングタンパク質)の一部が分解されて、ペプチドやアミノ酸が生成され、それが細胞の生命活動にとって、より重要性の高いタンパク質を合成する材料に充てられると考えられている。この機構は動物の個体レベルにおいても観察され、例えばマウスを一晩絶食させることで、肝細胞でオートファジーが起きることが知られている。哺乳類の出生時、出産によって胎盤を介しての栄養の供給がなくなると、胎児は母乳から栄養を摂るまで一時的な栄養飢餓となる。この時オートファジーによってアミノ酸を生成することで、栄養飢餓を凌いでいる。オートファジーによる栄養飢餓の回避はあくまで一時的なものであり、飢餓状態が長く続いた場合には対処することができない。

タイトル: 自家治癒
自家治癒(英: self cure)とはすでに成虫が寄生している動物に新たに幼虫の感染があると、すでに寄生している成虫が幼虫の感染により生じた宿主の免疫反応によって排除される現象。セルフ・キュアとも呼ばれる。新しく感染した幼虫は発育する。羊の捻転胃虫で初めて知られた現象であり、その他、毛様線虫、鶏回虫、牛肺虫でも生じると考えられている。

タイトル: アクアポリン
アクアポリン(Aquaporin、AQP)とは細胞膜に存在する細孔(pore)を持ったタンパク質である。MIP(major intrinsic proteins)ファミリーに属する膜内在タンパク質の一種である。細胞への水の取り込みに関係しており、水分子のみを選択的に通過させることができる。アクアポリン遺伝子の異常によって起こる疾患がいくつか存在する。ピーター・アグレ(Peter Agre)はアクアポリンの発見により、2003年のノーベル化学賞を受賞した。この時、ロデリック・マキノン(Roderick MacKinnon)もカリウムチャネルの構造とメカニズムの研究により共同で受賞した。

タイトル: 微生物蛋白質
 微生物代謝の高い多様性のおかげで、独立栄養SCPはいくつかの異なる成長モード、栄養素のリサイクルの多様なオプション、および作物と比較して大幅に効率が向上する。

タイトル: 葉緑体
光合成が最もよく知られた主要な機能であるが、その他に窒素代謝、アミノ酸合成、脂質合成、色素合成など、植物細胞における代謝の重要な中心となっている。独自のゲノムDNAやリボソームを持ち、真核光合成生物の共通の祖先が光合成をおこなう真正細菌や真核生物を細胞内に共生させたことに由来すると考えられている。これについては,下記の「起源」を参照のこと。葉緑体DNAは,さまざまなタンパク質とともに核様体を作っており、細胞核の染色体と同様、核様体は葉緑体DNAの複製,転写,分配の単位となっている。ただし、ヒストンはない。また、細菌のDNA結合タンパク質として知られるHU, DPSなどのタンパク質も、緑色植物の葉緑体には、基本的には存在しない。代わりに亜硫酸還元酵素がDNA結合タンパク質として機能している。

タイトル: 炭水化物
人体が炭水化物を摂取すると、デンプンの場合唾液で加水分解され、胃液や膵液で二糖類のマルトースまで分解され、最終的に小腸の上皮細胞に存在するマルターゼ、スクラーゼ、イソマルターゼ、ラクターゼ、トレハラーゼなどの二糖類水解酵素により単糖類のグルコース、フルクトース、ガラクトースなどにまで分解されて初めて腸管からの吸収を可能とする。これは脂質が脂肪酸やモノグリセリド、タンパク質がアミノ酸、核酸が塩基や糖にまで分解されるのと同じであり、これら吸収される状態の物質は最終分解産物と呼ばれる。水に不溶性の脂質系最終分解産物と異なり、ミセルなどを作らず吸収されるとそのまま門脈血の中に溶け込む。体内における糖質の主な働きは細胞においてエネルギー源となる事である。

タイトル: エンドサイトーシス
この認識には、(1)適度な大きさ(数μm程度)であること、(2)表面が正に荷電しているか、あるいは疎水性であること、などが条件となっているが、その条件は抗体などによる選択的な認識に比べて極めて緩く、むしろ非選択的であると言える。このため食作用は、体内に侵入した異物をある程度、非選択的に排除することが可能であり、免疫による生体防御の最初の関門として機能している。

タイトル: ゲオグロブス属
独立、従属または混合栄養的で、アミノ酸、酢酸、ピルビン酸、長鎖脂肪酸、その他多様な有機物を代謝する。この他水素を酸化して独立栄養的にも増殖が可能である。Feの還元と、長鎖脂肪酸の代謝能は古細菌として最初の報告例となった。

タイトル: 難消化性デキストリン
難消化性デキストリンは、天然では熟した果物などに含まれている水溶性食物繊維の一種であり、食後の血糖値の急激な上昇の抑制が報告されている。食品工業では、トウモロコシのデンプンの分解物から製造された難消化性デキストリンが流通している。従来は、消化されず役に立たない物とされてきたが、後に有用性が判ってきたため、食品工業的に生産されるようになった。ヒトの消化管は自力では難消化性デキストリンを消化できないものの、大腸内の腸内細菌が嫌気醗酵することによって、一部が酪酸やプロピオン酸のような短鎖脂肪酸に変換されて、エネルギー源として大腸から吸収される。エネルギーは1 (kcal/g)である。吸収される場所が大腸である分だけ、エネルギー源になるまでに時間がかかる。

タイトル: 分子生物学の歴史
球状タンパク質の二次構造や低分解能の三次元構造は、初期は分析超遠心や流動複屈折(英語版)などの流体力学的手法で調べられていた。円偏光二色性、蛍光、近紫外・赤外吸収などのタンパク質を精査する分光学的手法が1950年代に発達した。タンパク質の原子分解能の構造は、X線結晶構造解析によって1960年代に、NMRによって1980年代に初めて解かれた。2006年の段階で、蛋白質構造データバンクには4万近くのタンパク質の原子分解能の構造が登録されている。より近年では、巨大な高分子複合体のクライオ電子顕微鏡解析や小さなタンパク質ドメインの構造予測が原子分解能に到達するための2つの手法として登場している。

タイトル: 染色体凝縮
すなわち、原核生物においても「染色体凝縮」に相当する過程が存在し、この過程そのものが限られた空間内での染色体の分離に大きな役割をはたしていると考えられる(図4;原核細胞には真核細胞のスピンドルに対応する分裂装置が存在しない)。最近では、Hi-C技術によって、バクテリア型コンデンシンに依存した核様体の構造変換の動態が、 Caulobacter、枯草菌および大腸菌において解析されている。これらの知見は、染色体凝縮という過程を分子レベルでとらえ直し、さらに染色体高次構造を進化的視点から理解する上で極めて重要である。

タイトル: キネトプラスト類
分子生物学的な観点から珍しいシステムを多数用いていることでも特徴的である。またキネトプラスト類に特徴的なオルガネラとして、グライコソーム (glycosome) がある。これは解糖系の酵素などが局在化するマイクロボディ系のオルガネラである。

タイトル: 食物連鎖
というループ状のサイクルによって植物遺体の主成分であるセルロースやリグニンが分解されていく過程も重要である。これらを総合して腐食連鎖(デトライタス・サイクル)と呼び、生きている植物を食べることから始まる食物連鎖、即ち生食連鎖(グレイジング・サイクル)とともに食物連鎖の2大潮流を形作っている腐食連鎖は水中生態系でも、植物遺体が大量に流れ込む干潟やマングローブ林、アマモ場などにおいて非常に重要な役割を果たしている。食物連鎖において肉食動物の関係が複雑であれば複雑であるほど、中間捕食者や外来種の暴走を抑えることができる。

タイトル: 自然免疫系
バクテリア(およびおそらく他の原核生物)は、バクテリオファージなどの病原体から身を守るために、制限修飾系と呼ばれる独自の防御機構を利用している。このシステムでは、バクテリアは制限酵素と呼ばれる酵素を産生し、侵入してきたバクテリオファージのウイルスDNAの特定領域を攻撃して破壊する。宿主自身のDNAをメチル化することで、「自己」であることを示し、エンドヌクレアーゼによる攻撃を防ぐことができる。制限酵素と制限修飾系は、原核生物にのみ存在する。無脊椎動物は、リンパ球や抗体ベースの体液性免疫系を持たず、多成分の獲得免疫系は最初の脊椎動物から生まれたと考えられている。しかし、無脊椎動物は、脊椎動物の免疫系の前駆体と思われるメカニズムを持っている。パターン認識受容体(PRR)は、ほぼすべての生物が微生物の病原体に関連する分子を識別するために使用するタンパク質である。

タイトル: 呼吸
細胞呼吸または内呼吸は酸素や栄養素からアデノシン三リン酸(ATP)として化学エネルギーを取り出し、老廃物を排出する生物の各細胞で起こる一連の異化代謝反応である。取り出したエネルギーは生合成、運動、細胞膜を介した分子輸送などに使われる。

タイトル: グルコース
食事から摂取された炭水化物は小腸でグルコースに分解され、ナトリウム-グルコース共輸送体タンパクのSGLT-1およびSGLT-2により大量のグルコースが体内に吸収される。グルコースは、小腸から吸収されてから、体内で主要なエネルギー源として利用されており、特に脳での通常時のエネルギー源として利用されている。グルコースの分子は極性を有するため、細胞膜を通過するのには特別な膜輸送タンパク質を必要とする。グルコースが細胞に取り込まれると直ちにリン酸化が起こり、グルコース-6-リン酸が生成される。このリン酸化は、グルコースが細胞外に拡散してしまうのを防ぐためである。リン酸化により電荷が導入されるので、グルコース-6-リン酸は容易に細胞膜を通過することができない。リン酸化されたグルコースは解糖系等の代謝経路に入る。

タイトル: デンプン
これは、デンプン分子と構造が似ている糖類を使うことで、インターカレーションをおこし、規則的結晶構造をとりにくくして、老化を防いでいると考えられる。

タイトル: ビタミン
しかし全ての後生動物はこの代謝経路を喪失しており、他の生物を捕食することによって摂取しなければならず、カロテノイドはビタミンである。

タイトル: 液胞
陥入部はくびれ切れて、物質を内包する、膜で閉じた小胞となり、細胞膜は再び完全な状態となる。飲作用 (ピノサイトーシス) も本質的には同様の過程で、違いは取り込まれる物質が液体などの顕微鏡下で観察できないものであることである。食作用と飲作用はどちらもリソソームと関連して行われる過程であり、取り込まれた物質の完全な分解はリソソームで行われる。サルモネラはいくつかの種の哺乳類の液胞に取り込まれた後、そこで生存して増殖することができる。

タイトル: 石野良純
京都府生まれ、大阪府育ち。大阪府立茨木高等学校卒業。大阪大学薬学部卒業、大阪大学大学院薬学研究科前期課程修了。九州大学教授(九州大学大学院生物資源環境科学府農学研究院教授)等。 主として核酸関連酵素および蛋白質の機能構造解析とその応用研究を行なう。1987年(昭和62年)に原核生物の獲得免疫系座位「CRISPR(クリスパー)」を発見したことで知られる。

タイトル: ミトコンドリア
これは解糖系が細胞内小器官が発生する以前から存在してきた、最も原始的な代謝系であることを反映しているのだろうと考えられている。真核生物では、解糖系で得られた物質(ピルビン酸とNADH)を、TCAサイクルや電子伝達系の反応を行うミトコンドリアへ輸送し、好気呼吸を行う。細胞質の解糖系で生成されたピルビン酸は、ピルビン酸共輸送体(ピルビン酸/H+)により細胞質からミトコンドリアへ輸送される。同じく細胞質で生成されたNADHはリンゴ酸-アスパラギン酸シャトルによりミトコンドリアへ実質的に輸送される。ただし、グリセロリン酸シャトルで輸送される場合もあり、この場合にNADHは、ミトコンドリアのTCAサイクルで発生するFADH2相当に、ミトコンドリアでのATPの産生量は目減りする。なおADPは、ATP/ADPトランスポーターにより細胞質からミトコンドリアへ輸送される。

タイトル: 免疫系
ディフェンシンと呼ばれる抗微生物ペプチドは全ての動物および植物に見られる自然免疫応答の進化的に保存された要素の1つである。補体系や食細胞も大部分の無脊椎動物で利用されている。リボヌクレアーゼとRNA干渉の反応経路は全ての真核生物で保存されていてウイルスに対する免疫応答に役割を果たしていると考えられる。動物と違い植物では食細胞を欠く。植物の大部分の免疫応答には植物から放出される全身的な化学的シグナルがある。植物の一部が感染を受けるとその植物は局所的な過敏性の反応を起こす。そのことによって感染部位の細胞は速やかなアポトーシスを起こし他の植物への感染の広がりを阻止する。全身獲得抵抗性(SAR; Systemic Acquired Resistance)は防御反応の1つの型で、植物全体が特定の感染性病原体に抵抗するようにする。

タイトル: 独立栄養生物
ほとんどの独立栄養生物は還元剤として水を使用するが、硫化水素などの他の水素化合物を使用するものも知られている。ほとんどの化学独立栄養体はリソトロフ(無機栄養生物)であり、硫化水素、水素ガス、元素硫黄、アンモニウム、酸化第一鉄などの無機電子供与体を還元剤(生合成と化学エネルギー放出のための水素源)として使用する。独立栄養生物は、光合成や化合物の酸化中に生成されるATPの一部を利用して、 NADPをNADPHに還元することで有機化合物を形成する。光独立栄養生物(Photoautotroph)は、光合成を発達させることによって、従属栄養細菌から進化したと考えられている。初期の光合成細菌は硫化水素を使用していたが、一部の光合成細菌は光合成に硫化水素ではなく水を利用するように進化し、シアノバクテリアの誕生に至ったと考えられている。

タイトル: 発エルゴン反応
発エルゴン反応(はつエルゴンはんのう、英語:exergonic reaction)はギブズエネルギー変化が負である反応をいい、自発反応と同義である。発エルゴン反応のエルゴンはギリシア語で仕事を意味する語である。発エルゴン反応で発生したエネルギーを用いることで、非自発反応である吸エルゴン反応を起こすことができる。これを共役という。生化学において、発エルゴン反応として代表的なものがATPの加水分解である。ATPがADPとリン酸になる反応の標準ギブズエネルギー変化はおよそ-30kJ/molであり、このエネルギーを用いて生物の様々な吸エルゴン反応を行うことができる。ATPが生物のエネルギー通貨と呼ばれるゆえんである。

タイトル: 佐藤匠徳
米国では、癌、心臓病(特に心筋梗塞)、生活習慣病(特に二型糖尿病)の分子メカニズムをマウス、ゼブラフィッシュ、ショウジョウバエの3つのモデル動物を用いて研究を行い、超一流誌の「セル」「ネイチャー」「サイエンス」に多数の論文を発表した。それらの論文は、高く評価され、分子生物学・遺伝学の分野で、論文が最も引用された研究者1%に入る。2008年8月17日現在、 論文当たりの被引用回数は189回で、全論文の被引用回数は5,670回である。帰国後の2009年頃から、すべての生命現象を”Stochasticity”という確率論的観点からみなおし、新しい概念を確立しようと、新たな研究を開始した。遺伝子が生物のすべてを決めるなどというように、生命現象は、決定論的な制御機構に基づいて成り立っている、というのが現代生物学の基本的な考え方である。

タイトル: 原核生物の細胞骨格
この振動は結果として MinC(隔壁の形成を阻害する働きを持つ)の時間的濃度を細胞の中央付近で低く保ち、細胞中央でのZリング形成を導く。このような Min タンパク質のダイナミックな挙動は、細胞膜を模倣した人工的な脂質二重膜を用いて in vitro で再現されている。