「単体硫黄」と聞いて、何を思い浮かべるでしょうか。
化学を学んだ人なら、まず黄色い針状結晶が浮かぶかもしれません。高校化学では、斜方硫黄、単斜硫黄、ゴム状硫黄といった硫黄の同素体を習います。このうち斜方硫黄や単斜硫黄を構成する代表的な分子が、8個の硫黄原子が環状につながった環状八硫黄 (cyclo-octasulfur, S8) です。教科書や試薬瓶の中では見慣れたこの S8 ですが、「ヒトの細胞の中にも S8 がある」と聞くと、少し印象が変わるのではないでしょうか。
東北大学の赤池孝章教授らの国際共同研究グループは、哺乳類が S8 を体内で生成し、ミトコンドリアや脂肪滴に蓄えていることを明らかにしました。さらに、この S8 が酸化ストレスから細胞を守る「硫黄の貯蔵庫」として働く可能性を示しました。研究成果は 2026 年 9 月 24 日、Science 誌に掲載されています。
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Mammals produce cyclo-octasulfur to suppress lipid peroxidation and ferroptosis. Uladzimir Barayeu, Takaaki Akaike et al., |
硫黄は「つながる」のが得意
今回の研究を理解するうえで重要なのが、硫黄のカテネーション (catenation) です。炭素が C–C 結合を次々につくるように、硫黄も S–S 結合によって硫黄原子どうしが連なる性質を持っています。 S8 もその代表例で、8個の硫黄が王冠のような環状構造を形成しています。
硫黄の結晶 (左) と 斜方硫黄 S8 の構造式 (右) (ケムステ記事より再掲) |
生体内でも硫黄は決して「システインの-SH基」のような1個の硫黄だけで存在しているわけではありません。Cys–SSHやGSSHといったパースルフィド、さらに複数の硫黄原子が連なったポリスルフィドなど、多彩な分子が存在します。これらは近年「超硫黄分子 (supersulfides)」として盛んに研究されています。以前のケムステ記事「Sulfane sulfur が生み出す超硫黄分子」でも紹介したように、こうした硫黄鎖は生体内のレドックス制御や抗酸化に重要な役割を持つことが分かってきました。
しかし、ここで一つ素朴な疑問が生じます。
硫黄鎖をどんどん伸ばしていった先にある“単体硫黄” S8 も、生体内に存在するのではないか？
細菌や植物、真菌が単体硫黄を利用することは知られていましたが、哺乳類が S8 をつくり、貯蔵し、生命活動に利用しているかどうかは分かっていませんでした。
細胞の中の S8 をどうやって見つける？
ここで難しいのが分析です。 S8 は水にほとんど溶けない疎水性分子であり、さまざまな硫黄化合物が存在する細胞中から選択的に拾い上げるのは容易ではありません。
研究グループは、S8 を内部に取り込むことのできる芳香族分子カプセルを利用しました。疎水性空間の中に S8 を捕捉して安定化し、その複合体を質量分析することで S8 を定量します。さらに、S8 に特徴的なラマン散乱を利用したラマン顕微鏡解析を組み合わせ、細胞内で S8 が存在する場所も可視化しました。
その結果、 S8 はマウスやヒトの細胞・組織に確かに存在し、特にミトコンドリアと脂肪滴 (Lipid droplet) に多く存在することが明らかになりました。これは S8 の性質を考えると、理にかなっています。S8 は極めて疎水性が高いため、水の多い細胞質よりも脂質に富んだ環境を好みます。
脂肪滴というと、液-液相分離が注目される以前は単なる「脂肪の倉庫」というイメージが強かった細胞小器官ですが、近年では脂質代謝や炎症、酸化ストレス制御に関与する動的なオルガネラとして注目されています。今回そこに「元素硫黄の貯蔵庫」という新しい役割が加わったことになります。
NO合成酵素が「硫黄をつなぐ」？
さらに面白いのが、S8 をつくる仕組みです。研究グループが見いだしたのは、血管内皮型一酸化窒素合成酵素 eNOS (endothelial Nitric Oxide Synthase) の意外な役割でした。eNOS は L-アルギニンから一酸化窒素 (NO) を生成し、血管拡張などに関与する酵素として有名です。ところが今回、eNOSにはこれとは別に、グルタチオントリスルフィド (GSSSG) などを基質として、NADPH から受け取った電子を利用しながら硫黄鎖を伸ばしていく反応があることが示されました。つまり、
GSSSG → より長い硫黄鎖 → S8
という「硫黄カテネーション」が酵素反応として進行することになります (下図 左)。
「NO synthase」という名前からはまず想像しえない反応ですが、フラビンを介して電子を運ぶ eNOS の還元酵素部分を考えると、これは非常に興味深い反応です。Science の論文では、この反応によって生成した S8 が脂肪滴などへ蓄積していくモデルが提示されています (下図 右)。
eNOS を介した S8 の生成機構と、S8 の脂肪滴への蓄積 (元論文 Figure 3 より改変転載)
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S₈ は「抗酸化物質」なのか？
では、蓄えられた S8 は何をしているのでしょうか。
ポイントは、 S8 自身が単純なラジカルスカベンジャーとして働くというより、必要に応じて抗酸化性の超硫黄分子を供給するリザーバーになるということです。脂肪滴に存在する S8 は、細胞内に豊富に存在するグルタチオン (GSH) などのチオールと反応し、GSSH やさらに硫黄鎖の長い hydropolysulfide を生成します。これらの硫黄種が脂質のラジカル連鎖反応を抑えることで、脂質過酸化が抑制されると考えられます。
実際、Science の論文では、細胞内の. S8 を減らすと脂質過酸化と二価鉄依存性の細胞死であるフェロトーシスが増加し、反対に S8 を供給すると脂肪細胞や血管内皮細胞がフェロトーシスに抵抗性を示しました。言い換えるなら S8 は「脂溶性の硫黄貯蔵庫」のような存在なのかもしれません。必要なときに GSH と反応することで、より反応性の高い超硫黄分子へと戻されるという、安定な S8 と高反応性パースルフィドの往来により、細胞は硫黄の反応性を巧みにコントロールしている可能性があります。
がんでは S8 が 100 mM 以上？
疾患との関連にも興味深い結果があります。ヒト乳がん組織を調べたところ、がんではない対側乳腺組織と比較して S8 が著しく増えており、脂肪滴中の推定濃度が100 mM (μの打ち間違えではありません) を超える例も確認されました。また、乳がん患者の呼気凝縮液では、HSSH、HSSSH、HSSSSH などの超硫黄分子が健常者より増加していました。
ただし、この段階で「S8 が乳がんを引き起こす」や「呼気の硫黄で乳がんを診断できる」と結論付けることは難しいです。むしろ、腫瘍周辺の脂肪細胞を含む微小環境で硫黄代謝が大きく変化していることを示す観察として興味深い結果です。
一方、変形性膝関節症モデルマウスでは、水溶化した S8 を含む CB7・ S8 複合体を関節内に投与すると、滑膜中の脂質過酸化マーカー 4-HNE (4-ヒドロキシノネナール) が低下しました。こちらも直ちに「S8 が治療薬になる」とはいえませんが、 S8－超硫黄分子系を人為的に操作するという新しい治療戦略を考えるきっかけになりそうです。
なお、薬剤師的には S8 が薬となるというと、ニキビ治療薬のイオウカンフルローションを思い出します。今はあまり使わないんでしょうか。
おわりに
黄色い結晶としておなじみの S8 が、実は私たち自身の細胞でつくられ、脂肪滴に蓄えられ、酸化ストレスに応じてレドックスアクティブな硫黄種を供給しているという意外な硫黄の姿を提示した研究でした。
NO や CO、H2S が「毒性のある単純なガス状分子」から重要な生体シグナル分子へと認識を変えていったように、単体硫黄 S8 もまた、「ただの単体」から生理活性を持つ代謝物へと見方を変える必要があるのかもしれません。硫黄の化学的性質を生命がどこまで利用しているのか。超硫黄分子研究には、まだまだ面白い化学が隠れていそうです。
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