動物細胞におけるグルコース輸送の機構には、(1)グルコースの濃度勾配に従って輸送する促進拡散系糖輸送、(2)エネルギーを使ってグルコースの濃度勾配に逆らって輸送する能動輸送、の2種類が存在する。前者の機構による糖の取り込みは種々の組織で一般的にみられるが、後者の機構による糖の取り込みは腎臓や小腸等非常に限られた組織でのみ行われている。また、前者はGLUT familyに属す促進拡散系糖輸送体が、後者はSGLT familyに属すナトリウムイオン依存性糖輸送体が、その機能を担っている。

　動物細胞における促進拡散系糖輸送体には現在までに6種知られており、発見された順にGlut1、Glut2、Glut3、Glut4、Glut5、Glut7と名付けられている。各Glutはそれぞれ特異的な組織分布を示し、それぞれが特有の機能を有していると考えられている。しかし、唯一の例外である赤血球を除いて、ひとつの組織において複数種のGlutが発現しており、個々のGlutの性質を調べることは容易ではない。そこで異種発現系、アフリカツメガエルの卵母細胞や各種の培養細胞、に各Glutを発現し、その性質を調べる試みがなされ、各Glutの性質が少しずつわかってきた。しかし、これらの異種発現系では、(1)発現系自体に糖輸送体が存在すること、(2)発現量が少ないためや発現系の細胞の取り扱い上の制約から糖輸送活性の測定に時間がかかること(輸送の初速度が測定できない)、(3)発現したGlutのなかで活性をもつものの割合が少ないこと、などの短所がある。特に、Glut4は細胞内で発現してそのまま細胞内に留まる傾向をもつので、その性質の解明はより困難であった。Glut4は生体において、インスリン感受性組織にのみ発現しており、インスリン刺激により細胞内から細胞膜表面にトランスロケーションし、急激な糖輸送の増加に寄与していると考えられており、その生化学的性質の解明は肥満や糖尿病の治療とも関連して重要である。また、インスリン感受性組織には、Glut1も存在し、インスリン刺激により細胞内から細胞膜に同じようにトランスロケーションするので、急激な糖輸送の増加へのなんらかの寄与が考えられている。これらGlut4とGlut1の性質の違いを明確にするため、従来の異種発現系の短所を克服する新たな発現系の開発を行った。異種発現系として、遺伝学の研究で長い歴史があり遺伝的な操作が確立されており、しかも大量生産が容易である酵母Saccharomyces cerevisiaeを用いた。この酵母の株のうち、糖輸送に関する主な遺伝子を破壊してある変異株LBY416(Mat hxt2::LEU2snf3::HIS3 gal2 lys2 ade2 trp1 his3 leu2 ura3)を用い異種発現を行った。動物細胞の6種のGlutのうち唯一、タンパクとして精製され、その性質に関する知見の豊富なGlut1の発現をまず試みた。ついで、Glut4の発現を行い、両者の比較をした。

　本研究は動物細胞における主たるエネルギー源であるグルコースを細胞内に輸送するグルコース輸送体の各種のアイソフォームの機能を明らかにする目的で酵母Saccharomyces cerevisiaeを使っての異種発現系を新たに開発し、開発した系を用いて代表的なアイソフォームGlut1とGlut4のグルコース輸送の機能を比較、解析したものであり、下記の結果を得ている。

　1.酵母Saccharomyces cerevisiaeの主要なグルコース輸送体を破壊した変異体を用いることにより内在性のグルコース輸送活性を無視できる値に抑えた。酵母での発現系を評価する目的で、動物細胞でこれまで知られている6種のアイソフォームのうち、唯一、グルコース輸送体として精製されているGlut1の発現をまず行った。酵母で発現したGlut1の活性と、ヒト赤血球の精製Glut1の活性を比較した。酵母で発現したGlut1はヒト赤血球Glut1と同じ比活性を持ち、種々の生化学的性質も両者で有意な差は認められなかった。

　2.次に6種のアイソフォームのうち、細胞内の小胞に留まる性質を有するため、これまでの異種発現系ではその活性の詳細が調べられなかったGlut4を酵母の発現系で発現した。基質特異性、種々の阻害剤に対する感受性、2つの代表的な条件(zero-trans influx,equilibrium exchange)でのキネティクスを調べた。

　3.Glut1とGlut4のグルコース輸送の様々の性質を比較したところ、SH阻害剤に対する感受性(Glut1は感受性、Glut4は非感受性)、キネティクス(Glut1ではtrans accelerationがみられるがGlut4ではみられない)に大きな相違が認められた。基質特異性、phloretin,phloridzin,cytochalasinBなどの阻害剤に対する感受性に有意な差はみられなかった。

　4.Glut1、Glut4のアミノ酸配列から推定される立体構造を比較すると、Glut1は1個のexofacial Cys残基(Cys-429)を有するがGlut4にはない。Glut1のCys-429と対応する位置にあるGlut4のMet-455をCysに置換すると、他の糖輸送の性質は変わらないでSH感受性のみが増した。

　5.Glut1とGlut4は同じGLUT familyに属しアミノ酸のレベルで65%の同一性を持ちながら、キネティクスの相違から両者の糖輸送の分子機序の詳細が異なることが明らかとなった。このことは、Glut1とGlut4はインスリン感受性組織で共に存在しても、その役割が異なることを示唆する。

　以上本論文は酵母を使った発現系を開発することからラットGlut1とGlut4の糖輸送活性の相違点を明らかにし、インスリン感受性組織に分布し、共にインスリン刺激で細胞内から細胞膜へとトランスロケーションすることが知られている両者の生体内での役割分担の解明へ重要な貢献をした。また、本研究は、動物細胞のグルコース輸送体を活性のある形で大量生産の可能な酵母で発現できたことから、グルコース輸送体の精製、結晶化そして輸送機構の分子機序の解明へ極めて重要な貢献をなすと考えられ、学位の授与に値するものと考えられる。