ラミニン

ラミニンは、細胞外マトリックスの基底膜を構成する巨大なタンパク質である。多細胞体制・組織構築とその維持、細胞接着、細胞移動、細胞増殖を促進し、がん細胞と関係が深い。胚発生の初期に発現する。

1. 発見
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基底膜の構成分子は、今では、IV型コラーゲン、プロテオグリカン、ラミニンが3大構成分子であることがわかっているが、歴史的にみると、なかなかわからなかった。というのは、形態学的な手法で、基底膜の存在は確認されていたが、組織中の含有量が少なく、酵素活性の指標もなく、薄膜のため形状を指標に精製することが難しかったのである。そのため、生化学的に分析できるほどの量を単離精製することができなかった。

1977年、米国・NIHの国立歯科・頭蓋顔面研究所のジョージ・マーチンらが端緒をつかんだ。マウス皮下に移植可能なEHS肉腫が、大量に基底膜成分を合成する珍しい肉腫であることを見つけたのだ。マウス1匹あたり、湿重量で5～15gのEHS肉腫が得られる。後でわかることだが、ラミニン精製のためなら、凍結保存もできた。

1979年、ドイツのマックス・プランク生化学研究所のルパート・ティンプルは、マーチンと共同で、このEHS肉腫から新しいタンパク質を精製し、基底膜の1つの層・ベーサルラミナ  の「lamina」にちなみ、ラミニンと命名した。

なお、基底膜という名称は、英語圏で定義が少し混乱している。それで、ウィキペディア日本語版でも混乱している。ここでは、英語版ウィキペディアの「basement membrane」の「基底膜は、ベーサル・ラミナとレティキュラ・ラミナの2層からなる」を採用する。レティキュラ・ラミナの成分は主にI型やV型コラーゲンである。

ベーサル・ラミナは、さらに、電子顕微鏡で観察される透明板と、緻密板の2層からできていて、ラミニンは透明板の領域に存在すると推定される。なお、IV型コラーゲンとプロテオグリカンは緻密板の領域に存在すると推定される。

2. 構造
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2.1. ヘテロ三量体構造
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図1に示すように、ラミニンはα鎖、β鎖、γ鎖をそれぞれ1本ずつ持つヘテロ三量体構造をとる。ラミニン‐111は、分子量440kDaのα1鎖、220kDaのβ1鎖、205kDaのγ1鎖の3つのポリペプチド鎖がS-S結合で1:1:1に会合した巨大な糖タンパク質である。約15％の糖、約30％のαヘリックス、約15％のβシートを含む。

2.2. 十字形モデル
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1981年、スイスのユーゲン・エンゲルが、単一のラミニン分子を電子顕微鏡で初めて観察した。その形が非対称の「十字形」に見えたので、「ラミニンの十字形モデル」を提唱した。

2.3. cDNA塩基配列
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1987年、米国・NIHの国立歯科・頭蓋顔面研究所の山田吉彦らが組換えDNA技術をもちいてラミニンβ鎖とγ鎖のcDNA塩基配列を解明し、タンパク質の一次構造を決定した。翌1988年にα鎖のcDNA塩基配列も解明し、現在のラミニン-111の全一次構造を決定した。

3. 細胞接着活性
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1980年、フィブロネクチンで研究されたのと全く同じ手法で、マーチンはラミニンに細胞接着活性を見出した。興味深いことに、フィブロネクチンが線維芽細胞を接着するのと対照的に、ラミニンは上皮細胞と神経細胞を接着した。これは後に、細胞側のレセプターが解析されるにつれ、どの細胞がどのレセプターを発現しているかの問題になり、上記の例外もたくさん見つかり、「フィブロネクチンが線維芽細胞で、ラミニンは上皮細胞と神経細胞」という類型化は意味をなさなくなった。

しかし、ラミニンは、フィブロネクチンに次ぐ2番目の細胞接着分子として意識され、フィブロネクチンの研究に有効だった考え方と実験手法が多用された。タンパク質分解酵素によるラミニン断片の細胞接着活性の検討、cDNA塩基配列決定と細胞接着モチーフ分析、有機合成ペプチドによる活性検定などである。お蔭で、ラミニンの細胞接着活性部位は急速に解明されていった。

驚いたことに、ラミニンには細胞接着部位が数カ所あった。以下、いくつかの細胞接着配列をアミノ酸1文字表記で示す。なお、これらの合成ペプチドは、細胞接着活性が弱いという難点がある。

YIGSR：最も有名になった配列で、β鎖のドメインIIIにある。アミノ酸番号929～933に当たるYIGSRである。
PDSGR：β鎖のドメインIIIにある。
RYVVLPR：β鎖のドメインIIIにある。
LRE：β鎖のドメインIにある。
IKVAV：α鎖のドメインIにある。
RNIAEIIKDI：γ鎖のドメインIにある。
RGD：フィブロネクチンで発見されたRGDモチーフもラミニンα鎖のドメインIIIに見つかった。ただし、ラミニンでは通常は分子内にあり、ラミニンが変性するか分解しないと、細胞接着に機能しない。なお、野水基義はペプチド合成を網羅的に行い、上記を含めた計22個の細胞接着活性配列を見つけている。

4. ラミニン結合分子
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ラミニン結合分子は、一緒に細胞外マトリックスを形成する「細胞外マトリックス分子」、細胞表面の「ラミニン・レセプター」、に2大別できる。

4.1. 1.細胞外マトリックス分子
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結合する細胞外マトリックス分子とラミニン側の結合部位を示す。

ラミニン：自己会合する。β鎖のドメインV、γ鎖のドメインV
αジストログリカン：α鎖のドメインIのGドメイン
ヘパラン硫酸、ヘパリン
硫酸化糖脂質：β鎖のドメインVI、γ鎖のドメインVI
IV型コラーゲン
パールカン
アグリン
ナイドジェン：α鎖のドメインIII

4.2. 2. ラミニン・レセプター
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ラミニン・レセプターは、「インテグリン」、「非インテグリン」、に2大別できる。

4.2.1. 2-1.インテグリン
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ラミニンは、フィブロネクチンに次ぐ2番目の細胞接着分子として意識されたので、フィブロネクチンと同じように細胞表面のレセプター探しが行なわれた。フィブロネクチン・レセプターと類似のインテグリンがラミニン・レセプターとして発見された。2013年8月現在、以下の11種の インテグリンがラミニン・レセプターである。

α1β1、α2β1、α2β2、α3β1、α6β1、α6β4、α7β1、α9β1、αvβ3、αvβ5、αvβ8

4.2.2. 2-2.非インテグリン
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インテグリンではないラミニン・レセプターも見つかってきた。

37/67kDaラミニンレセプター・・・67kDaラミニンレセプターが最初発見された。その後、67-LRのcDNA塩基配列が解明されると、295アミノ酸からなる37kDaのタンパク質が前駆体だとわかる。37kDaを37-LRPと呼び、37/67 kDaラミニンレセプターと扱われる。活性部位はアミノ酸番号161-180番の20アミノ酸からなるペプチド・IPCNNKGAHSVGLMWWMLARで、ペプチドGと命名された。
クレイニン・・・1987年に120kDaのラミニンレセプターが発見され、craninと命名された。1995年、それまで別に思われていたジストログリカンと同じ分子だと判明した。
アスパルタクチン・・・1988年、ラミニンに結合する67kDaのタンパク質が発見され、ラミニンレセプターとして、アスパルタクチンと命名された。1990年、アスパルタクチンは、筋細胞の細胞内のタンパク質・カルセクエストリンと同一分子であると報告された。細胞内に存在していてはレセプター機能を発揮できない。そして、1991年、アスパルタクチンはラミニンレセプターではないとされた。
他・・・他にもいくつかの分子がラミニンレセプターとして報告されている。

5. ドメイン構造
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図1のラミニンモデルを参照しながら以下を読むことを勧める。タンパク質は、通常、N末端側からC末端側に説明するが、ここでは、ローマ数字のIからVIに進める。つまり、C末端側から進める。

5.1. ドメインI
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α鎖のC末端側のドメインで、遺伝子で書くとLAMA1; LAMA2; LAMA3; LAMA4; LAMA5が持っている。 特に重要なのは、Gドメイン(globular domain）