ポリアクリルアミドゲル電気泳動

ポリアクリルアミドゲル電気泳動（PAGE）

ポリアクリルアミドゲル電気泳動（PAGE）は、アクリルアミドモノマーが重合して形成されるポリアクリルアミドを支持体としたゲルを用いて、タンパク質や核酸などの生体分子を電気的に分離・解析する手法です。略称としてPAGE（ペイジ）と呼ばれ、生命科学分野で広く用いられています。

この技術は1964年にデイビスとオーンスタインによって開発されました。初期にはガラス管内でゲルを作製するディスク電気泳動が用いられていましたが、現在では2枚のガラス板の間にゲルを作製し、複数のサンプルを同時に解析できる平板ゲルを用いた方法が主流となっています。PAGEは、その高い分離能から様々な応用技術を生み出し、分子生物学や生化学研究において不可欠な基本操作の一つとなっています。

原理

PAGEの原理は、ゲル内を移動する荷電粒子の挙動に基づいています。ゲルに電場をかけると、粒子は電荷に応じた方向に移動しますが、ゲルの網目構造による抵抗を受けます。ポリアクリルアミドゲルは、アガロースゲルに比べて網目の大きさを細かく制御できるため、より高分解能な分離が可能であり、タンパク質や比較的低分子量の核酸の分離に特に有効です。

ゲル内での粒子の移動速度は、主に以下の要因に依存します。

電荷: 電荷の絶対値が大きいほど、同じ電場下では速く移動します。
サイズ（分子量/鎖長）: 分子ふるい効果により、ゲルの網目よりも小さい粒子は速く移動し、大きい粒子は移動が遅くなります。
形状: 立体構造もゲルの網目の通過しやすさに影響します。
ゲルの密度: ゲルの網目が密であるほど、移動速度は遅くなります。

核酸のPAGE

DNAやRNAといった核酸分子は、その骨格にリン酸基を持つため、自然に負（マイナス）の電荷を帯びています。このため、電気泳動を行うと陽極（プラス極）側に向かって移動します。核酸のPAGEでは、特に鎖長による分離が重要です。分子ふるい効果によって、分子量が小さい（鎖長が短い）核酸ほどゲルの網目を容易に通過し、より遠くまで泳動されます。

多くの場合、核酸を変性剤（例: 尿素）の存在下で泳動することで、二本鎖DNAを一本鎖に、あるいはRNAを高次構造をほどいた一本鎖の状態にし、その物理的な長さに基づいて精密な分離を行います。この高い鎖長分離能は、特定の鎖長を持つDNA断片を識別するのに利用され、DNAシークエンシング（塩基配列決定）などの技術に応用されてきました。

タンパク質のPAGE

タンパク質の荷電は、そのアミノ酸組成や周囲のpHによって大きく異なります。この多様な荷電特性に対処し、主に分子量に基づいてタンパク質を分離するために、いくつかの変法が存在します。

SDS-PAGE

最も広く用いられているのが、SDS-ポリアクリルアミドゲル電気泳動（SDS-PAGE）です。これは、陰イオン性界面活性剤であるドデシル硫酸ナトリウム（SDS）をサンプルと泳動バッファーに添加して行われます。SDSはタンパク質を変性させ、ほぼ一定の重量比で結合することで、タンパク質分子全体に強い負の電荷を与えます。これにより、タンパク質本来の電荷や高次構造の影響を打ち消し、専ら分子量に応じた分離を可能にします。

通常、SDS-PAGEを行う前には、サンプルを還元剤（例: 2-メルカプトエタノール、DTT）と共に加熱処理し、タンパク質分子内のジスルフィド結合（S-S結合）を切断します。これにより、複数のポリペプチド鎖からなるタンパク質も、それぞれのサブユニット（単一のポリペプチド鎖）として分離され、各サブユニットの分子量を正確に評価できます。泳動後にゲル中のタンパク質をメンブレンに転写し、抗体を用いて特定のタンパク質を検出する手法は、ウェスタンブロッティングと呼ばれ、広く利用されています。

Native PAGE

Native PAGE（ネイティブPAGE）は、タンパク質を変性させずに、その本来の立体構造や電荷、他の分子との複合体形成状態を保ったまま泳動する手法です。SDS-PAGEとは異なり、タンパク質の分子量だけでなく、等電点、高次構造、他のタンパク質や補因子との複合体形成なども泳動速度に影響するため、特定のタンパク質のバンド位置を正確に予測することは難しい場合があります。塩基性の高いタンパク質は、通常のNative PAGE条件では陽極側ではなく陰極側へ移動することもあるため注意が必要です。

Native PAGEの変法として、Blue Native PAGE (BN-PAGE) があります。これは、クマシーブリリアントブルー色素がタンパク質に結合することで負の電荷を付与し、複合体を解離させることなく泳動する手法で、膜タンパク質複合体などの解析に有効です。特定の臨床検査においても、リポタンパク質の分離分析に3%のPAGE法が応用され、その種類同定に利用されています。

等電点電気泳動（IEF）

等電点電気泳動（Isoelectric Focusing, IEF）は、ポリアクリルアミドゲルなどの支持体中にpH勾配を形成させ、両性電解質であるタンパク質を泳動する手法です。タンパク質は、その周囲のpHに応じて電荷が変化しますが、自身の等電点（pI、正味の電荷がゼロになるpH）に達すると電気泳動による移動が停止します。これにより、タンパク質をその等電点に基づいて非常に高い分解能で分離することができます。等電点電気泳動も、アポEフェノタイプの分析など、臨床応用例が存在します。

二次元電気泳動

タンパク質のより包括的な分離・解析のために、異なる分離原理を組み合わせた二次元電気泳動（2D-PAGE）がよく用いられます。一般的な方法では、まず細長いゲル中で等電点電気泳動を行い、タンパク質を等電点によって一次元的に分離します。次に、この一次元目で分離したゲルをSDS-PAGE用のゲルに乗せ、電場をかけることで、二次元的に分子量に基づいてさらに分離を行います。これにより、等電点と分子量の両方の情報を持つスポットとして、数千種類ものタンパク質を一枚のゲル上で同時に分離・可視化することが可能となり、プロテオミクス研究において重要な役割を果たしています。

ポリアクリルアミドゲル電気泳動およびその派生技術は、生体分子の特性解析、精製、検出において、現代の生命科学研究に不可欠な基盤技術となっています。

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