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第2節 生体を守るタンパク質

 

A 赤血球

B 血しょうタンパク質

◆血液凝固現象

出血を防ぐ血液凝固のしくみは,免疫とならぶ生体防御の複雑なシステムの現れの1つである。最終的な反応は,血液中に溶けているフィブリノーゲンが不溶性のフィブリンになって傷口を塞ぐことにある。フィブリンの発見者は「細胞は細胞から」を唱えたドイツの病理学者フィルヒョー(18211902)である。1904年には,ドイツのモラウィッツが主要な反応機構を明らかにした。傷口からでるトロンボプラスチンが血液中の不活性トロンビン(プロトロンビン)を活性化し,それがフィブリノーゲンをフィブリンに変える:

トロンビンの活性化 傷口がひき金となってトロンビンが活性化する経路は,少なくとも12の因子(カルシウムイオンを含む)が関与し,そのうち7つがタンパク分解酵素である。反応は次々と起こるカスケード(雪なだれ)反応である。血管に傷ができるとXII因子(ハーゲマン因子)が血管壁のコラーゲン繊維に吸着されて自己分解し,活性型となる(XIIa)。これはXI因子を限定分解し,できたXIaX因子(スチュアート因子)を活性化し,それがII因子(プロトロンビン)を限定分解してトロンビンにする。以上が内因系の経路である。そのほか,損傷された組織から出される組織因子(TF)VIIaが結合してXを活性化する外因系のしくみがあり,生理的にはより重要とされている。

フィブリノーゲンからフィブリンヘ 血液中に3mg/mlの濃度で含まれているフィブリノーゲン(3種類のサブユニット各2個からなる)は,上記の反応で生成されたトロンビンの作用によって,19個と21個のアミノ酸からなるABペプチド各2個が切断されてフィブリンとなる。これらペプチドはアスパラギン酸やグルタミン酸を含んでおり,マイナスの電荷による反発力によってフィブリノーゲン分子どうしの会合を妨げている。ABペプチドを失ったフィブリン分子は会合して繊維をつくり傷口をおおってしまう。

フィブリンは,トロンビンによって活性化されたXIII因子の作用で安定な構造となる。XIII因子はトランスグルタミナーゼとよばれる酵素でペプチドの遊離カルボキシル基と別のペプチドの遊離アミノ基とをペプチド結合させる:

COOHNH2−  → −CONHH2O

さらに血小板から放出されたアクチン,ミオシン,ATPにより,フィブリン集合体全体が収縮して血栓となり,傷口をコンパクトに塞いでしまう。

 

カルシウムイオンの働き 血液凝固系の反応の多くはカルシウムイオンを必要とする。そのためカルシウムイオンを除くと凝固が起らない。血液を採取するとき,あらかじめ注射器にクエン酸ナトリウム溶液を入れておくのは,カルシウムを結合させて凝固を防ぐためである。

生理的血液凝固防止 正常な状態で,血液凝固が起きて血栓ができると脳や心臓の毛細血管を塞いで重大な障害となる。肝臓から分泌される多糖ヘパリンは血液凝固を阻止する。

 

血液凝固の諸因子

因子

番号

慣用名

分子量〔×103

(アミノ酸数)

血しょう

濃度

μg/ml

機能

I

フィブリノーゲン

334

3000

フィブリン形成

 

Aα鎖×2

68(625)

 

 

 

Bβ鎖×2

55(461)

 

 

 

γ鎖×2

49(411)

 

 

II

プロトロンビン

72(679)

100

トロンビン前駆体

III

組織因子(TF)

37(263)

0

補助因子

IV

カルシウムイオン

 

(2mM)

補助因子

V

Ac-グロブリン

330(1996)

10

補助因子

VII

プロコンバーチン

50(406)

5

プロテアーゼ前駆体

VIII

抗血友病因子

330(2351)

0.1

補助因子

IX

クリスマス因子

55(415)

5

プロテアーゼ前駆体

X

スチュアート因子

59(447)

10

プロテアーゼ前駆体

XI

 

160(607)

5

プロテアーゼ前駆体

XII

ハーゲマン因子

82(596)

30

プロテアーゼ前駆体

XIII

フィブリン安定化因子

 

10

トランスグルタミナーゼ前駆体

 

αサブユニット

75(731)

 

 

 

βサブユニット

80(641)

 

 

 

 

C 白血球

◆免疫と細胞

免疫という用語は,もともとは税金を免れる免税を意味し,転じて病苦から免れるという意味に使われるようになった。英国の田舎で開業していたジェンナー(17491823)は牛の乳しぼりをしている女性の手の指に水泡(牛痘)がしばしばできており,流行する天然痘にかからないことに注目した。1796年ジェンナーは牧童に牛痘にかかった婦人の水泡の液を注射し,2か月後に天然痘を接種したが,病気にならずにすんだ。ラテン語で牛のことをvacca,牛痘のことをvaccinaということから,ジェンナーは種痘のことをvaccinationとよんだ。今日のワクチンの語源にあたる。ジェンナーの種痘はヨーロッパ中に広まっていった。天然痘と牛痘のウイルスは異なっているが共通性があり,いずれかを抗原として抗体をつくると,抗体は両者と反応する(免疫となる)

白血球 血液中には赤血球のほかに白血球がある。これが免疫に関与する細胞である。白血球は,顆粒球(多形核白血球),リンパ球,マクロファージの3種類に分けられる。このうち顆粒球とマクロファージは異物食作用を示し,リンパ球はT細胞,B細胞の2種類があり,体液性免疫にあずかる。これら白血球は赤血球とともに,骨髄の中にある幹細胞からしだいに分化する。リンパ幹細胞のうちのあるものは胸腺 (thymus)にしばらくとどまった後,T細胞となり血液中にでる。T細胞は異物(抗原)を認識し,さまざまな働きをする。他方いったん肝臓に移住した後,骨髄で成熟する細胞はB細胞となり,抗体産生にあずかる。B細胞とよばれるのは,ニワトリでは直腸のファブリキウスBursa of Fabricius経由で分化するからである。骨髄bone marrowとする説もある。

 

顆粒状(多形核白血球)

無顆粒状(単核球)

好中球

好酸球

好塩基球

リンパ球(25)

単球マクロファージ

(61.5)

(3)

(0.5)

(B細胞・T細胞)

(5)

白血球の種類

 

細胞性免疫と体液性免疫 細菌,ウイルスなどが体内に侵入すると,T細胞が認知してある種の因子(リンフォカイン)を放出する。するとマクロファージが集まって食作用を開始する。顆粒球も食作用に加わる。このように直接的な免疫のことを細胞性免疫という。これに対して産生された抗体が関与する免疫は体液性免疫とよばれる。後者は異物が最初に侵入して1か月ぐらい経てから(抗原がつくられてから)有効となる。前者は異物の侵入後ただちに起こる。

マクロファージ マクロファージは白血球の一種であり,大型で単球(核の形状が球状でくびれがない)の食作用の旺盛な細胞の総称である。マクロファージは通常,老化した細胞や組織片,侵入してきた異物などを細胞内に取り込み,消化して処理する働きをしている。また,何らかの刺激を受けると,病原菌などの微生物や腫瘍細胞を殺して処理する働きもする。免疫については次のような働きをしている。

マクロファージには,T細胞の機能発現を助ける重要な働きがある。抗原物質を細胞内に取り込み,適当な大きさの抗原ペプチド(アミノ酸数520程度)にする(抗原処理)。次いでその抗原ペプチドを細胞表面に表し,T細胞がそれに反応できるようにする抗原提示を行う。マクロファージとT細胞が反応するとマクロファージからインターロイキン1(ILl)が出てT細胞の分裂活性化を促進する。その後T細胞は特定のB細胞を捜しだして結合し,いくつかのインターロイキン(リンフォカイン)を出してB細胞の分裂活性化を助ける。こうして,抗体産生細胞(プラズマ細胞)となったB細胞は特定の抗原だけを標的とする抗体を放出する。

抗体産生におけるマクロファージの必要性 (a)マウスの脾臓細胞に羊の赤血球を与えると抗体産生が生じる。(b)リンパ球,(c)マクロファージのそれぞれに羊の赤血球を与えても抗体産生は生じないが,(b)(c)の混合したものでは抗体産生が生じる。

 

D 抗原と抗体

E 抗体産生のしくみ

◆抗原と抗体

抗体を産生させる原因となる物質は抗原とよばれる。抗原となる物質の主要なものは非自己タンパク質である。ウイルス,細菌などのタンパク質が抗原となる。タンパク質中のアミノ酸配列10個ほどや立体構造の一部が抗原となる。多糖類,脂質も抗原となることがある。また低分子物質もタンパク質と結合していると抗原となる。

抗体(免疫グロブリンG)2本ずつのH(鎖重53000)L(23000)とからなり,全体の分子量は152000におよぶ。H鎖とL鎖は1本のS-S結合で連結され,H鎖どうしも2本のS-S結合でつながり全体としてまとまっている(下図)。この抗体は免疫グロブリンG(IgG)とよばれているタンパク質で,体液性免疫で主導的な役割を果たしている。

このように一定の形をした抗体が多種多様の抗原と特異的に対応しているのは,HL鎖ともに抗体の種類によってアミノ酸配列が異なっている可変部が存在しているためである。H鎖では446個のアミノ酸中110120個,L鎖では214個のうち107個が可変部である。残りはすべての抗体に共通なアミノ酸配列をもっており,不変部といわれる。H鎖,L鎖ともに可変部は抗体分子の両腕の先端にあたり,そこが異物抗原との結合部位となっている。

抗体は抗原と強い結合(解離定数は1091010である)をする。酵素と基質の解離定数は104107にすぎない。抗原抗体複合体は巨大な結合体をつくり,沈殿してしまう。そこにマクロファージが集まってきて取り込み消化してしまう。

 

◆抗体産生のしくみ

いったい,どんなしくみで100万種類以上の抗体がつくられるのであろうか。1900年ドイツの病理学者エールリヒ(1854-1915)は,抗体産生細胞にはあらかじめ表面に特異的な側鎖(レセプター)をもっており,抗原が結合すると膜から脱落し,細胞はレセプターをどんどん産生・放出すると主張した。これは最初の選択説である。

一般的には,抗原は産生細胞に入りこんで鍵と鍵穴の関係にある抗体をつくらせるとする指令説が有力となっていった。エールリヒ説をリバイバルさせたのはバーネット(1899-1990)のクローン選択説(1959)である。抗体産生細胞は分化の過程で遺伝子変異が起こり100万を超える抗原に対応する細胞群ができると考える。11つの細胞の表面にあらかじめ異なった抗体が存在すると仮定する。クローン選択説は1976年スイスのバーゼル大学で利根川進(1939)によって実証された。

リンパ細胞は成熟過程で抗体遺伝子の再編成(体細胞変異)がなされ,各細胞に遺伝子変異をもたらす。抗体H鎖に対応する遺伝子は,制御部(LH),可変部(VHDHJH),不変部(CH)と続き,各部域間には遺伝情報に関与しない部域(イントロン)が介在する。可変部の3部域には,VH300個,DH12個,JH4個と複数の遺伝情報部分(エキソン)が存在してイントロンでそれぞれ仕切られている。リンパ球が抗体産生細胞(B細胞)に分化していく間にVHDHJHの各可変部で各1個のエキソンが残って連なり他は消失してしまう。遺伝子としては制御部,可変部,不変部と続いている。このとき可変部のエキソンの組合せは,300(VH)×12(DH)×4(JH)14400通りとなる。L鎖でもVLJL (DLはない)の変化で1200通りの組合せができる。H鎖とL鎖との組合せから1000万種類以上の抗体遺伝子の生成が可能となる。

 

 細胞性免疫

◆抗体産生の一次応答と二次応答

リンパ球,赤血球,白血球,血小板などすべての血液細胞は造血幹細胞から生じ,抗体はリンパ球の一つであるB細胞から産生される。造血幹細胞からB細胞に至る細胞分化の間に,B細胞の前駆細胞では,抗体遺伝子の組換えが起こり,各々のB細胞は,それぞれ異なる特異性をもつ抗体を産生するように準備が整えられる。最初,B細胞が産生する抗体は分泌されず,抗原結合部位(可変部)を外向きにして細胞膜に埋め込まれた状態で抗原受容体として細胞膜に配置される。一つのB細胞の細胞膜上に提示される抗体分子はおよそ10万個にもなる。細胞膜に埋め込まれた抗体は,細胞内シグナル伝達系と連携している。細胞膜の抗体が抗原と特異的に結合すると,それが引き金になり,シグナル伝達系を介して核に情報が伝えられ,遺伝子が応答してB細胞は増殖し,分泌性の抗体産生細胞になる。このしくみにより,抗原に対する特異抗体を産生するB細胞のみが増殖し,一つのB細胞から一分間に10万分子もの特異抗体が分泌されることになる。抗原刺激によってB細胞が分泌性の抗体産生細胞になる際に,ヘルパーT細胞を必要とする場合と,しない場合の両方があることがわかっている。活性化B細胞の寿命は短く,プログラム細胞死(アポトーシス)を起こして数日で消失する。これは,排除した病原体(抗原)に対する特異抗体をつくり続けるという無駄を省く戦略の一つと思われる。このように,動物が初めての抗原と接触したときに起きる免疫応答を一次応答という。

 上で述べたように,抗原と初めて接触したB細胞は活性化細胞になるが,一部は抗体を分泌しない記憶細胞になる。未感作B細胞と記憶細胞は,何年も生き続け,自分が産生する抗体と特異的に結合する抗原がやってくるのを待ち続ける。記憶細胞は一次応答したB細胞のクローンであり,同じ特異性の抗体(抗原受容体)を細胞膜上に提示している。一次応答した抗原と同じ抗原が結合すると,既に増殖して多数となっている記憶細胞が一斉に免疫応答し,増殖するとともに活性化細胞となり,特異抗体を急速に産生する。このように記憶細胞が応答する免疫を二次応答という。二次応答においても,次の特異抗原の侵入に備え,記憶細胞がつくられ,長期間にわたって維持される。

ワクチンは記憶細胞のはたらきを応用した予防接種である。しかしワクチンを接種しても有効でない場合がある。また,感染したことのある同じ種類のウイルスにも再び感染することがある。それは,ウイルスがウイルスの表面を覆っているタンパク質の抗原性をDNA再編によって頻繁に変え,あらかじめ準備された抗体の攻撃をかわしているからである。特に,エイズの原因ウイルスHIVはインフルエンザウイルスの5倍の変異率で表面抗原の形を変える。これは,通常の遺伝子の変異率の約100万倍になる。撲滅が困難な原因の一つは,この変異率の高さにもある。

 

◆エイズ

19816月アメリカで2名の患者が25万人に1人というまれなカポジ肉腫で死亡した。これがエイズの最初の記録である。1993年までに世界中で1000万人のエイズ患者がいるといわれ,治療薬はまだ開発されていない。エイズ(後天性免疫不全症候群acquired immunodeficiency syndrome)は,ヒト免疫不全ウイルス(human immunodeficiency virusHIV)によってひきおこされることが1984-5年に発見された。

HIVRNAをもつウイルスで,RNAからDNAを合成する逆転写酵素をそなえているのでレトロウイルス(レトロは逆方向に向かうの意味)とよばれる。ふつうはDNARNA→タンパク質なのに,ここではRNADNAとなり,寄主の核のDNA中に入りこむ。ときにこのDNAからRNAがつくられて,それからタンパク質が合成されてウイルスがふたたびできる。HIVは直径100ナノメートルの球状をしており,外側は脂質二重層からつきでたスパイクをもった外被がとりまいている。内部に内被があり,その中にコアがあってRNAと逆転写酵素を包んでいる。RNA9000塩基からなり,7種類のタンパク質をコードする。

HIVのスパイクはT細胞(ヘルパー)の細胞膜について細胞内に侵入し,外被,内被,コアがほどけてRNAを出す。もってきた逆転写酵素の働きで1本鎖RNAから2本鎖のDNAがつくられ,これが核内のDNA中に挿入される。ウイルスのDNAは細胞のDNAと挙動を共にし,細胞分裂のさいには複製される。ときにウイルスDNARNAをつくってタンパク質を合成させ数百個のウイルスを再生し寄主細胞を破壊させてとびだし,他の寄主に分散する。そのためエイズではT細胞の減少に伴う免疫不全が起こるのに数年かかる。直接の死因であるカポジ肉腫やカリニ肺炎は免疫が正常であれば発病しない。

 

◆拒絶反応

ヒトの各組織には組織適合抗原があり,一卵性双生児以外では人によって異なっている。そのため,他人の組織を移植すると免疫系が移植組織を攻撃するため移植臓器が定着できない。これが拒絶反応である。

免疫に関わっているT細胞とB細胞とでは,その守備範囲が異なっている。自己と遺伝的に大きく隔たっているもの(たとえば病原菌)に対して働くのがB細胞の分泌する抗体である。それに対してT細胞の方は自己により近いものに対して働く。ウィルスに感染した自分の細胞,自分の細胞が変わってしまったガン細胞などがT細胞のターゲットである。移植した臓器は,自分と同種の他人の細胞からできており,これもT細胞のターゲットとなる。だから免疫抑制のためには,T細胞の働きを抑える必要がある。

免疫抑制剤としてはカルシニューリン阻害剤,ステロイド,代謝拮抗剤,有糸分裂抑制剤,抗体などがある。カルシニューリン阻害剤としては,シクロスポリンがよく使われている。これは真菌からとられたペプチドで,T細胞内のカルシニューリン(カルシウム/カルモジュリン依存性タンパク質脱リン酸化酵素)の働きを抑制し,その結果インターロイキン2(IL-2)の転写が抑えられる。IL-2はサイトカインの一種で,T細胞に細胞増殖のスイッチを入れる働きをもつ。T細胞の抗原受容体に抗原が結合すると,そのシグナルはT細胞のIL-2遺伝子のスイッチを入れてIL-2がつくられ,つくられたIL-2はすぐに細胞外へと放出される。シグナルはIL-2受容体遺伝子のスイッチも入れ,このT細胞はIL-2受容体を細胞表面にもつようになる。この新たにつくられた受容体に自分が放出したIL-2が結合すると,それが引き金になって細胞分裂周期が早まりT細胞の数が増えていく。つまりIL-2遺伝子がつくられなければT細胞は活性化しない。シクロスポリンはIL-2遺伝子の転写の活性化に関わるカルシニューリンを阻害するのである。カルシニューリン阻害剤としては他にタムロリムスがあり,これはシクロスポリンよりよく効き副作用も少ない。

ステロイドもシクロスポリンとは別の経路でIL-2の転写を抑制する。代謝阻害剤は核酸合成に干渉する。T細胞と結合するポリクローナル抗体を与えてT細胞を破壊に導いたり,IL-2受容体に結合するモノクローナル抗体を与えたりするという,抗体による免疫抑制も行われている。さまざまな免疫抑制剤の開発により,臓器移植の成功する確率が大いに改善されてきている。

免疫抑制剤を用いない臓器移植法の研究も行われている。免疫系が自己の組織をなぜ攻撃しないかというと,胸腺の中で自己に反応するT細胞が除去されているからである。ただしこの除去は完璧ではなく,T細胞のうちの5%ほどは自己に反応してしまう。だからこれらのT細胞により自己免疫病が発症するおそれがあるのだが,通常は発症しない。免疫制御系があるからである。制御に関わる細胞の一つに制御性T細胞がある。これは胸腺でつくられ,他のT細胞の増殖を抑える。制御性T細胞をとりのぞくと自己免疫病になり,そうなったものに制御性T細胞を与えると,自己免疫病は抑えられる。この作用に注目し,制御性T細胞を培養して,これを臓器移植された患者に与えて拒絶反応を抑制しようという研究がすすめられている。

主要組織適合抗原 臓器移植の際,拒絶反応が起こるのは,組織を構成する細胞の表面に存在するある分子が個体ごとに少しずつ異なるためである。このような分子は,移植組織が受容者に適合するか否かにかかわっているため組織適合抗原とよばれる。この分子は共通の祖先の遺伝子が,少しずつ変異を起こし,それぞれが別の家系にひきつがれてきたことによって多様になっていると考えられる。組織適合抗原の中でとくに拒絶反応に重要な働きをしているものを主要組織適合抗原という。

ヒトの組織適合抗原については,1958年に輸血患者血清に白血球と反応する抗体が見出されたのをきっかけに解明が始まり,HLA(human leukocyte antigen)とよばれる主要組織適合抗原の遺伝子複合体が第6染色体に存在することがわかった。通常,主要組織適合遺伝子複合体(major histocompatibility gene complexMHC)の遺伝子座はIIIIII3つのクラスに分けられる。クラスI領域の産物(クラスI抗原)はすべての細胞の膜表面に発現している。クラスII抗原は,B細胞・T細胞の一部,マクロファージ,精子などの表面にあることがわかっている。免疫的に「自己」と「非自己」を認識するときには,このクラスII抗原が主要な役割を果たす。たとえば,マクロファージが提示した外来抗原(非自己)T細胞が認識する場合,マクロファージのもつクラスII抗原(自己)と外来抗原(非自己)とを同時に認識する必要がある。

 

G アレルギー

◆アレルギー

アレルギー反応は,スギやブタクサの花粉,ゴミ中のダニ,牛乳,サバなどが引き金となる。血液中にごく微量に存在する免疫グロブリンE(IgE)がこれらのアレルゲン(抗原)によってできると,IgEは皮膚や鼻の粘膜中に散在する肥満細胞のレセプター(FCリセプター)と結合する。IgE抗体にアレルゲンが結合すると,細胞内の顆粒がこわれ,ヒスタミンなど刺激物質が放出される。ヒスタミンは皮膚にじん麻疹を起こさせたり,肺の気管支をせまくして喘息を起こさせる。また鼻粘膜を刺激してくしゃみや鼻汁の症状が起こる。アレルギーの急激な症状はアナフィラキシーとよばれ,気管支が一時的に閉ざされて窒息死にいたることがある。ペニシリン注射でも起こることがあり,ペニシリンショックとよばれる。

 

 

 








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