Category:LBSC

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Cerebroside


Upper classes: LB LBS

| OH
(C14-chain)O-Glucose
(fatty acid) ー | NH
GlcCer
| OH
(C14-chain)O-Galactose
(fatty acid) ー | NH
GalCer

Monoglycosylceramides (or cerebrosides) are glycosphingolipids where a single sugar is attached to the ceramide structure. Especially, glucopyranose-attached Glucosylceramide (GlcCer) and galactopyranose-attached Galactosylceramide (GalCer) are widely observed in all kingdoms. These ubiquitous molecules are not registered in LipidBank. Instead, we summarize their distribution with bibliographic references with species information.

モノグリコシルセラミド (またはセレブロシド) はセラミドに糖が1個エステル結合したスフィンゴ糖脂質です。特にグルコース(ピラノース型)が結合したグルコシルセラミド (GlcCer) とガラクトース(ピラノース型)が結合したガラクトシルセラミド (GalCer) は生物界に広く分布するので、データベース中には掲載せず、ここに解説と生物種ごとの報告例を掲載します。

Contents

Glucosylceramide (GlcCer)

GlcCer is widely observed not only in Animal, Plant or Fungi kingdoms, but also in Protozoa Kingdom[1]. Ceramide structures (hydrocarbon chain length, the number and position of double bonds, existence of hydroxy and other modification groups) may vary, and become complex especially in Plant and Fungi Kingdoms, and Protostomia [2]. In Animal Kingdom, GlcCer is the basic structure for different derivative series such as Globo, Lacto, and Ganglio Series. In Protostomia, GlcCer is the major ceramide in its nerve tissue, e.g. shrimp brain [3], and its amide-linked fatty acids do not contain hydroxy groups. GlcCer in plants contains many α-hydroxy fatty acids. In some cold-resistant plants ω9-unsaturated fatty acids are detected. In Mammalia (of Deuterostomia), GlcCer is major in the spleen, blood, and skin.

Gaucher's disease is an inborn metabolic disorder in which GlcCer accumulates in the liver and spleen because of the deficiency of the enzyme glucocerebrosidase to dissociate glucose from the ceramide structure [4].

GlcCerは系統発生的にみると動物の各組織に広く分布するだけでなく、植物界や菌界、原生生物界にも含まれます。セラミド構造(炭化水素の鎖長、二重結合の数と位置、水酸基の有無、修飾基の有無など)の組み合わせは多岐にわたり、特に植物界や菌界、旧口動物のセラミドは複雑です。動物界において、GlcCerはさまざまな糖鎖を持つ糖脂質の基本構造になり、グロボ系列、ラクト系列、ガングリオ系列などが生成されます。旧口(前口)動物の神経系にはGlcCerが多く含まれ(例えばエビ)、セラミド骨格の脂肪酸に水酸基を含みません。対して、植物は α-水酸化の脂肪酸が多く、耐冷性植物の一部からは ω9-不飽和の脂肪酸も見だされています。後口動物の哺乳綱において、GlcCerは、脾臓、血液、皮膚などに多く含まれます。

先天性代謝異常症であるゴーシェ (Gaucher) 病は、GlcCerを分解するグルコセレブロシダーゼが欠損し、肝臓や脾臓にGlcCerが蓄積して発症します。

Galactosylceramide (GalCer)

GalCer has been observed in Eubacterial Domain, but not in Protozoa, Plant, or Fungi (except Ascomycota). It is widely observed in Animal Kingdom, but not in Ecdysozoa (cuticle-shedding animals) of Protostomia. Its ceramide structure differs widely as in GlcCer but not so complex as GlcCer in Plant and Fungi. GalCer is the basic structure for sulfatide (3-O-sulfogalactosylceramide or SM4) and Gala Series often found in Annelida (segmented worm). In Mammalia (of Deuterostomia), GalCer is major in the nerve tissue, especially myelin sheath, whose amido-linked fatty acids are hydroxylated at the C-2 position for more than 50%.

Krabbe disease (globoid cell leukodystrophy) is an inborn metabolic disorder in which a small amount of psychosine (galactosylsphingosine, i.e., the lyso form of GalCer) induces demyelination because of the deficiency of the enzyme galactosylceramidase [5]. α-GalCer, found from Porifera (marine sponge), in which galactose is α-bonded to ceramide (not the usual β-bond), uniquely binds to human or mouse NKT cells and is considered a potent anti-tumor agent.[6]

GalCerは真正細菌に存在しますが、原生生物界、植物界、菌界(子嚢菌を除く)では報告がありません。動物界に広く分布しますが旧口動物である脱皮動物には確認されていません。セラミド構造は、GlcCerと同様に多様ですが、植物や菌類のGlcCerほど複雑ではありません。GalCerはスルファチド (3-O-硫酸化ガラクトシルセラミドまたはSM4) や環形動物門に多く含まれるガラ系列の基本構造です。 後口動物である哺乳綱では神経系、特にミエリン鞘にGalCerが多く含まれ、その脂肪酸の50%以上は、C2位が水酸化されています。

クラッベ病(グロボイド細胞ロイコジストロフィー; GLD)はガラクトシルセラミダーゼの欠損により微量のサイコシン(ガラクトシルスフィンゴシン、つまり GalCer のリゾ体)が蓄積して脱髄(ミエリンの破壊)を起こす遺伝性疾患です。また、海綿動物門に発見されたα-GalCerは、ガラクトースがセラミドに(通常のβでなく)α結合しており、ヒトやマウスのNKT細胞に特異的に結合し抗腫瘍効果がみられます。

  1. Tan RX, Chen JH. "The cerebrosides" Nat Prod Rep. 2003;20:509-34.PMID 14620845, Yu R.K. Yanagisawa M. Ariga T. Glycosphingolipid Structures,in Comprehensive Glycoscience Vol.1,pp. 73-122,doi 10.1016/B978-044451967-2/00003-9, Itonori S, Sugita M. Glycophylogenetic Aspects of Lower Animals. in Comprehensive Glycoscience Vol.3, pp. 253-84, doi 10.1016/B978-044451967-2/00050-7 (J.P. Kamerling, ed.) Elsevier, Oxford (UK). (2007)
  2. Sphingoid base chain may terminate with an isopropyl group in spongia, annelida, echinodermata, and bacteria. Terminal isobutyl or sec-pentyl group has been found only in echinodermata. Methylated or cyclopropane-containing sphingoid base is found in spongia, echinodermata, protochordata, and fungi.
  3. Okamura N, Stoskopf M, Hendricks F, Kishimoto Y. "Phylogenetic dichotomy of nerve glycosphingolipids" Proc Natl Acad Sci, 1985 82:6779-6782 PMID 3863128
  4. Brady RO, Kanfer JN, Shapiro D. "Metabolism of glucocerebrosides. II. Evidence of an enzymatic deficiency in Gaucher's desease" Biochem Biophys Res Commun. 1965;18:221-5 PMID 14282020
  5. Suzuki K. "Globoid cell leukodystrophy (Krabbe's disease): update" J Child Neurol. 2003;18:595-603.PMID 14572137, Suzuki K. "Evolving concept of the pathogenesis of globoid cell leukodystrophy (Krabbe disease)" Proc Jpn Acad Ser B Phys Biol Sci 2003; 79:1-8
  6. Kitamura H, Iwakabe K, Yahata T, Nishimura S, Ohta A, Ohmi Y, Sato M, Takeda K, Okumura K, Van Kaer L, Kawano T, Taniguchi M, Nishimura T. "The natural killer T (NKT) cell ligand alpha-galactosylceramide demonstrates its immunopotentiating effect by inducing interleukin (IL)-12 production by dendritic cells and IL-12 receptor expression on NKT cells" J Exp Med. 1999; 5;189(7):1121-8. PMID 10190903

Cerebrosides in Mammals

Lipids in Heart Muscle

Lipids in Rat Testis

Cerebroside and Sulfatide Ratio in Animal Brain

Fatty acid composition of bovine brains

Cerebrosides in All Kingdoms

The table lists biological species from which sphingolipids were identified. Icons indicate representative species. The icons are used in sphingolipid references together with Synthesis.png for chemical synthesis.

ここに示す分類表にはスフィンゴ脂質が報告された生物が記載されており、アイコンは代表種を表します。スフィンゴ脂質関連の文献にはこれらのアイコンの他、化学合成を表すSynthesis.pngも使われます。

Domain Kingdom Phylum Class Order Species Icon Sphingoid Cerebroside Major GSLs
ドメイン 代表生物 Base Fatty acid GalCer GlcCer series
真正細菌 Bacteria バクテロイデス門 Bacteroidetes 腸内細菌 Bacteria.png (α-GalCer) Bacteroides fragilis PubMed
プロテオバクテリア門 Proteobacteria 大腸菌 (β-GalCer) Cystobacter fuscus DOI
真核生物 Eukaryota 原生生物界 Protista メタモナーダ門 Metamonada 鞭毛虫 Protista.png Giardia lamblia PubMed
ユーグレノゾア門 Euglenozoa Leishmania amazonensis PMID 8514804; Plasmodium falciparum PubMed
植物界 Plantae 緑藻植物門 Chlorophyta クロレラ Plantae.png Pseudococcomyxa chodatii DOI
ストレプト植物門 Streptophyta 緑色植物 Ginkgo biloba DOI; Stenochlaena palustris(leaves) DOI
被子植物門 Angiosperm シロイヌナズナ Arabidopsis thaliana PubMed GIPC
菌界 Fungi 接合菌門 Zygomycota ケカビ、クモノスカビ Fungi.png Mucor hiemalis PubMed
子嚢菌門 Ascomycota 酵母、コウジカビ Aspergillus oryzae PubMed
担子菌門 Basidiomycota キノコ Cryptococcus neoformans PubMed
動物界 Animalia 海綿動物門 Porifera カイメン Porifera.png iso-t17:0 h24:0 (α-GalCer) Agelas mauritianus DOI;
(β-GalCer) Chondropsis sp. DOI
Halicona sp. DOI none
刺胞動物門 Cnidaria 9-methyl-d18:2 h16:0, h20:0 (α-GlcCer) Sarcophyton ehrenbergi PubMed;
(β-GlcCer) Metridium senile PubMed
    (旧口動物、冠輪)
(Protostomia, Lophotrochozoa)
扁形動物門 Platyhelminthes 吸虫綱 Trematoda プラナリア、サナダムシ Platyhelminthes.png t18:0, t20:0 h16:0 Fasciola hepatica/gigantia PubMed Fasciola hepatica/gigantia PubMed; (β-GlcCer) Schistosoma mansoni PubMed Schisto
条虫綱 Cestoda d18:0, t18:0 18:0, 18:1 (β-GalCer) Spirometra erinacei PubMed Spirometo
外肛動物門 Bryozoa d18:1 16:0, 22:0, 24:0, 24:1 Pectinatella magnifica DOI
腕足動物門 Brachiopoda シャミセンガイ Brachiopoda.png d18:3 16:0, 18:0, 24:0 Lingula unguis DOI Mollu
環形動物門 Annelida 貧毛綱 Oligochaeta ミミズ Annelida.png d18:1, br18:1 22:0 Pheretima aspergillum, P. hilgendorfi DOI
ヒル綱 Hirudinea ヒル iso-d19:1, d22:3 22:0, 24:0 (β-GalCer) Hiruo nipponica DOI Isoneogala, Neogala
多毛綱 Polychaeta サシバゴカイ目 Phyllodocida d18:0, d18:1 16:0, 18:0 Tylorrhynchus heterochetus DOI DOI  ?? GIPC
多毛綱 Polychaeta ケヤリ目 Sabellida d18:1 20:1, 22:1 Pseudopotamilla occelata DOI Gala, Lacto, GIPC
軟体動物門 Mollusca 二枚貝綱 Bivalvia 二枚貝 d18:1 16:0, 18:0 Hyriopsis schlegelii (egg PubMed), (sperm PubMed Hyriopsis schlegelii (egg PubMed), (sperm PubMed Mollu
腹足綱 Gastropoda 巻き貝 Mollusca.png d18:1, d18:2 16:0, h16:0 Chlorostoma argyrostoma, C. turbinatum PubMed Neogala
(旧口動物、脱皮)
(Protostomia, Ecdysozoa)
線形動物門 Nematoda クロマドラ綱 Chromadorea 回虫 Nematoda.png iso-d17:0, iso-d17:1 h24:0 Ascaris suum(adult) PubMed PubMed Arthro, GIPC
節足動物門 Arthropoda 昆虫綱 Insecta  ハエ Arthropoda.png d14:1 20:0, 22:0 Lucilia caesar(larvae) PubMed Arthro
甲殻亜門 軟甲綱 Crustacea Malacostraca エビ、カニ d14:1, d18:3 22:1, 24:1, h22:1, h24:1 (E. superba); 18:0, 20:0, 22:0, 22:1 (E. isenbeckii) Euphausia superba PubMed, Erimacrus isenbeckii DOI, Macrobrachium nipponense PubMed, Arthro
甲殻亜門 鰓脚綱 Crustacea Branchiopoda カブトエビ、ミジンコ d16:1, d17:1 18:0, 22:0 Artemia franciscana PubMed, PubMed Arthro, Fucosyl
多足亜門 ヤスデ綱 Myriapoda Diplopoda d17:1, d18:1 22:0 Parafontaria laminata, P. armigera PubMed Arthro
(新口動物)
(Deuterostomia)
棘皮動物門 Echinodermata ウミユリ綱 Crinoidea ヒトデ Echinodermata.png Comanthus japonica PubMed
ヒトデ綱 Asteroidea Culcita novaeguineae PubMed Asterias rubens PubMed
Protoreaster nodosus PubMed
Echino
クモヒトデ綱 Ophiuroidea Ophiocoma scolopendrina PubMed Echino
ウニ綱 Echinoidea t18:0 h22:1, h24:1 Anthocidaris crassispina(egg) PubMed, PubMed Echino
ナマコ綱 Holothuroidea Bohadschia argus PubMed Cucumaria echinata DOI Echino
脊索動物門 Chordata ホヤ綱 Ascidiacea ホヤ Ascidia.png t18:0 h24:0 Botrillus leachii DOI none
軟骨魚綱 Chondrichthyes エイ Chondrichthyes.png Carcharhinus plumbeus (brain) PubMed Squalus acanthias (rectal gland) PubMed
条鰭綱 Actinopterygii 硬骨魚 Actinopterygii.png Cyprinus carpio(brain) PubMed Theragra chalcogramm (brain) PubMed
両生綱 Amphibia カエル Amphibia.png Rana catesbeiana (brain) PubMed Bufo bufo japonicus (skin) PubMed
鳥綱 Aves トリ Aves.png Gallus gallus domesticus (sciatic nerve) PubMed Gallus gallus domesticus (lens) PubMed
哺乳綱 Mammalia 無盲腸目 Eulipotyphla モグラ Mammalia.png Suncus murinus (brain) PubMed
食肉目 Carnivora ネコ、イヌ Canis lupus familiaris (brain) PubMed Canis lupus familiaris (intestine) PubMed
奇蹄目 Perissodactyla ウマ Equus caballus (brain) PubMed Equus caballus (spleen) PubMed
鯨偶蹄目 Cetartiodactyla ウシ、ブタ Bos taurus (brain) PubMed Bos taurus (spleen) PubMed
兎目 Lagomorpha ウサギ Oryctolagus cuniculus (brain) PubMed Oryctolagus cuniculus (rabbit skin fibroblasts) PubMed
齧歯目 Rodentia ラット、マウス Rattus norvegicus (brain) PubMed Mus musculus (erythrocytes) PubMed
霊長目 Primates ヒト Primates.png Homo sapiens (brain) PubMed "Homo sapiens (spleen, Gaucher’s disease) PubMed;

Homo sapiens (blood) PubMed

Biosynthesis

In Mammalia, GlcCer is synthesized by ceramide glucosyltransferase (CGlcT) at the cytosolic membrane of the Golgi apparatus, and GalCer is synthesized by ceramide galactosyltransferase (CGalT) at the lumen of the endoplasmic reticulum (ER). These enzymes do not share any sequence similarity and CGlcT possesses its transmembrane region at the N-terminal (type III) whereas CGalT possesses it at the C-terminal (type I).[1]

哺乳動物では、ゴルジ装置の細胞質側に局在するグルコシルセラミド合成酵素(CGlcT)によって GlcCer が、小胞体の内腔側に局在するガラクトシルセラミド合成酵素(CGalT)によって GalCer が作られます。これらの酵素は配列相同性が無く、CGlcT は膜貫通領域が N 末端側(III型酵素)、CGalT は C 末端側(I型酵素)です。

GlcCer GalCer
Enzyme CGlcT (EC 2.4.1.80) CGalT (EC 2.4.1.45)
Reaction Ceramide + UDP-glucose → GlcCer + UDP Ceramide + UDP-galactose → GalCer + UDP
Location Golgi (outside) → flipflop → Golgi (inside) ER lumen

Since all glycolipid synthesizing enzymes (except for CGlcT and CGalT) reside at the lumen of the Golgi apparatus, GlcCer must be flip-flopped from the cytosolic side to the lumen by an eyzyme called flippase. To synthesize GalCer, UDP-galactose and ceramide must transport the ER membrane. UDP-galactose transporter 2 (UGT2) is considered to be responsible.

GalT can also work on glycerolipid, and synthsizes sulfated glyceroglycolipid in mammalian testis, called seminolipid.

CGlcT, CGalT 以外の糖脂質合成酵素はゴルジ装置の内腔側にあり、GlcCer はゴルジ膜の細胞質側から内腔側にフリッパーゼと呼ばれる酵素で移動(フリップフロップ)します。GalCer の場合は、UDPガラクトースとセラミドが小胞体膜を通過します。UDPガラクトーストランスポータ2 (UGT2) が関与するようです。

CGalTはグリセロ脂質にも作用し、精巣の硫酸化グリセロ糖脂質であるセミノリピドも合成します。

  1. Sprong H, Degroote S, Nilsson T, Kawakita M, Ishida N, van der Sluijs P, van Meer G "Association of the Golgi UDP-galactose transporter with UDP-galactose:ceramide galactosyltransferase allows UDP-galactose import in the endoplasmic reticulum" Mol Biol Cell. 2003;4:3482-93 PMID 12925779

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