プロテアーゼプロテアーゼの概要

TEVプロテアーゼの構造。基質とのペプチド結合を黒、触媒残基を赤で表す。(PDB: 1LVB)

プロテアーゼのような付加的な助力機構がない場合、タンパク質分解は非常に遅く、何百年もかかる反応である^[3]。プロテアーゼは、植物、動物、バクテリア、古細菌などあらゆる形態の生命体やウイルスに見られる。それらは独立して収斂進化 (しゅうれんしんか) しており、異なるクラスのプロテアーゼは、完全に異なる触媒機構によって同じ反応を実行できる。

プロテアーゼの分類

触媒残基に基づく分類

プロテアーゼは大きく分けて7つのグループに分類される^[4]。

セリンプロテアーゼ - セリンアルコールを使用
システインプロテアーゼ - システインチオールを使用
スレオニンプロテアーゼ（英語版） - スレオニン二級アルコールを使用
アスパラギン酸プロテアーゼ - アスパラギン酸カルボン酸を使用
グルタミン酸プロテアーゼ（英語版） - グルタミン酸カルボン酸を使用
金属プロテアーゼ (メタロプロテアーゼ) - 金属、通常は亜鉛を使用^[1]^[2]
アスパラギンペプチドリアーゼ（英語版） - アスパラギンを使用して脱離反応を行う (水を必要としない)

プロテアーゼは、1993年に進化的関係に基づいて最初に84ファミリーに分類され、セリンプロテアーゼ、システインプロテアーゼ、アスパラギンプロテアーゼ、金属プロテアーゼの4つの触媒型に分類された^[5]。スレオニンプロテアーゼとグルタミン酸プロテアーゼは、それぞれ1995年と2004年まで記載されていなかった。ペプチド結合を切断する機構は、システインとスレオニンを持つアミノ酸残基 (プロテアーゼ) または水分子 (アスパラギン酸、金属プロテアーゼ、酸プロテアーゼ) がペプチドカルボキシル基を攻撃できるように求核性にすることである。求核試薬を作成する一つの方法は、ヒスチジン残基を用いてセリン、システイン、またはスレオニンを求核剤として活性化させる触媒三残基である。ただし、求核試薬の種類はさまざまなスーパーファミリーで収斂進化しており、一部のスーパーファミリーは複数の異なる求核試薬への分岐進化を示しているため、これは進化的なグループではない。

ペプチドリアーゼ

2011年に、第7の触媒型のタンパク質分解酵素であるアスパラギンペプチドリアーゼが報告された。そのタンパク質分解機構は、加水分解ではなく、脱離反応を行う珍しいものである^[6]。この反応では、触媒アスパラギンは、適切な条件下でタンパク質中のアスパラギン残基でそれ自体を切断する環状の化学構造を形成する。その根本的に異なる機構を考えると、ペプチダーゼに含まれるかどうかは議論の余地がある^[6]。

進化的な系統

プロテアーゼの進化的スーパーファミリーの最新の分類は、MEROPSデータベースにある^[7]。このデータベースでは、プロテアーゼを構造、機構、触媒残基の順序に基づいて、最初に「クラン」(clan、タンパク質のスーパーファミリー) によって分類している (例: PAクラン（英語版）はPが求核性ファミリーの混合物を示す)。各「クラン」内でプロテアーゼは、配列類似性に基づいてファミリーに分類される (例: PAクラン内のS1とC3ファミリー)。各ファミリーには、何百もの関連プロテアーゼ (例: S1ファミリー内のトリプシン、エラスターゼ、トロンビンおよびストレプトグリシンなど) が含まれる場合がある。

現在、50以上のクランが知られており、それぞれがタンパク質分解の独立した進化的起源を示している^[7]。

最適pHに基づく分類

また、プロテアーゼは、それらが活性を発揮する最適なpHによって分類されることもある。

酸性プロテアーゼ
I型過敏症に関与する中性プロテアーゼ。ここでは、肥満細胞から放出され、補体やキニンの活性化を引き起こす^[8]。このグループにはカルパインが含まれる。
塩基性プロテアーゼ (またはアルカリ性プロテアーゼ)

酵素の機能・機構

タンパク質分解に使用される2つの加水分解のメカニズムの比較。酵素は黒で、基質タンパク質は赤で、水は青で示されている。上のパネルは、酵素が酸を使用して水を分極し、次に、基質を加水分解する1段階の加水分解を示している。下のパネルは、酵素内の残基が活性化されて求核剤 (Nu) として作用し、基質を攻撃する2段階の加水分解を示している。これにより、酵素が基質のN末端半分に共有結合した中間体が形成される。第2段階では、この中間体を加水分解するために水が活性化され、触媒作用が完了する。他の酵素残基 (図示せず) は、水素を供与および受容し、反応機構に沿った電荷蓄積を静電的に安定化させる。

「触媒三残基」も参照

プロテアーゼは、アミノ酸残基をつなぐペプチド結合を分割させることで、長いタンパク質鎖をより短い断片に消化することに関与している。

今日では切断位置によるエキソペプチダーゼとエンドペプチダーゼの分類が広く用いられる^[9]。

エキソペプチダーゼ - タンパク質鎖から末端アミノ酸を切り離す。基質のN末端から1残基ずつ切断する酵素をアミノペプチダーゼ、C末端側から1残基ずつ切断する酵素をカルボキシペプチダーゼと呼ぶ。
エンドペプチダーゼ - タンパク質の内部ペプチド結合を攻撃、切断する。トリプシン、キモトリプシン、サブチリシン、ペプシン、パパイン、エラスターゼなど。

触媒作用

触媒作用 (英語版) は、2つの機構のいずれかによって達成される。

アスパラギン酸、グルタミン酸、および金属プロテアーゼは、水分子を活性化し、ペプチド結合に求核攻撃を加えて加水分解する。
セリン、スレオニン、およびシステインプロテアーゼは求核性残基を使用する (通常、触媒三残基)。その残基は、求核的な攻撃を実行してプロテアーゼを基質タンパク質に共有結合させ、生成物の前半を解放する。次に、この共有結合アシル酵素中間体は、活性化された水によって加水分解され、生成物の後半を解放し、遊離酵素を再生することによって触媒作用を完了する。

基質特異性

タンパク質分解は、非常に無差別 (英語版) な可能性があり、広範囲のタンパク質基質が加水分解される。これは、トリプシンのような消化酵素の場合で、摂取したタンパク質の配列をより小さなペプチド断片に切断できなければならない。無差別プロテアーゼは通常、基質上の単一のアミノ酸に結合するので、その残基に対してのみ特異性がある。例えば、トリプシンは、配列 ...K/.... または ...R/.... ('/'=切断部位) に特異的である^[10]。

逆に、一部のプロテアーゼは非常に特異的であり、特定の配列を持つ基質だけを切断する。血液凝固 (トロンビンなど) およびウイルスポリンタンパク質処理 (TEVプロテアーゼなど) は、正確な切断イベントを達成するためにこのレベルの特異性を必要とする。これは、指定された残基に結合するいくつかのポケットを備えた長い結合溝またはトンネルを有するプロテアーゼによって達成される。たとえば、TEVプロテアーゼは配列 ...ENLYFQ/S... ('/'=切断部位) に特異的である^[11]。

破壊と自己分解

プロテアーゼは、それ自体がタンパク質であるため、他のプロテアーゼ分子 (時には同じ種類の分子) によって切断される。これはプロテアーゼ活性の調節方法として機能する。一部のプロテアーゼは、自己分解(autolysis)後に活性が低下するが (TEVプロテアーゼなど) 、他のプロテアーゼは活性が高くなる (トリプシノーゲンなど)。

脚注

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[3] Radzicka A, Wolfenden R (July 1996). “Rates of Uncatalyzed Peptide Bond Hydrolysis in Neutral Solution and the Transition State Affinities of Proteases”. JACS 118 (26): 6105–6109. doi:10.1021/ja954077c.

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[岩波生物学辞典-9] 「プロテアーゼ」、『岩波生物学辞典』第4版、岩波書店、1996年。

[10] Rodriguez J, Gupta N, Smith RD, Pevzner PA (January 2008). “Does trypsin cut before proline?”. Journal of Proteome Research 7 (1): 300–5. doi:10.1021/pr0705035. PMID 18067249.

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[17] Skoreński M, Sieńczyk M (2013). “Viral proteases as targets for drug design”. Current Pharmaceutical Design 19 (6): 1126–53. doi:10.2174/13816128130613. PMID 23016690.

[18] Yilmaz NK, Swanstrom R, Schiffer CA (July 2016). “Improving Viral Protease Inhibitors to Counter Drug Resistance”. Trends in Microbiology 24 (7): 547–557. doi:10.1016/j.tim.2016.03.010. PMC 4912444. PMID 27090931.

[19] Barrett, Alan J; Rawlings, Neil D; Woessnerd, J Fred (2004). Handbook of proteolytic enzymes (2nd ed.). London, UK: Elsevier Academic Press. ISBN 978-0-12-079610-6

[20] Proteases in biology and medicine. London: Portland Press. (2002). ISBN 978-1-85578-147-4

[21] Feijoo-Siota, Lucía; Villa, Tomás G. (28 September 2010). “Native and Biotechnologically Engineered Plant Proteases with Industrial Applications”. Food and Bioprocess Technology 4 (6): 1066–1088. doi:10.1007/s11947-010-0431-4.

[22] Southan C (July 2001). “A genomic perspective on human proteases as drug targets”. Drug Discovery Today 6 (13): 681–688. doi:10.1016/s1359-6446(01)01793-7. PMID 11427378.

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プロテアーゼ プロテアーゼの概要