カルパイン1

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序論

多細胞生物における各細胞は、増殖、複製、遊走、外部刺激への応答、生存または死といった多くの基本機能を担わなければならない。ニューロンは複製を除くこれらすべての機能を有する一方で、さらに、さまざまな内因性・外因性シグナルに対してより適切に応答し適応する必要があるという追加の課題に直面している。したがって、環境変化に適応するニューロンおよびシナプスの可塑性（ニューロン／シナプス可塑性）ならびにニューロンの生存または死は、基本的な細胞生理機能に関与する細胞機構を用いながら並行して進化してきた過程である。カルパインは、中性・可溶性・カルシウム依存性プロテアーゼからなる古いファミリーであり、タンパク質切断によって基質タンパク質の活性を修飾するという独自の特性を有する。このようにカルパインは、不可逆的かつ持続的な翻訳後制御機構を構成する。多数の研究により、脳内の主要なカルパインアイソフォームであるカルパイン1およびカルパイン2が、シナプス可塑性ならびにニューロン生存／神経変性において相反する役割を果たすことが示されている。

ミトコンドリア内におけるカルパインの局在

カルパインは細胞質酵素であるが、カルパインがミトコンドリアにも存在することが報告されている。カルパイン1はミトコンドリア内で同定されており、アポトーシス誘導因子（AIF）の切断に関与する。カルパイン1の大サブユニットN末端にはミトコンドリア移行配列が含まれ、その小サブユニットは対応する大サブユニットとともにミトコンドリアへ輸送され得る。ミトコンドリア型カルパイン1の生化学的特性は細胞質型カルパイン1と類似しており、80 kDaの大触媒サブユニットと、28 kDaの小制御サブユニットであるカルパイン4から構成される。肝ミトコンドリアでは、カルパイン2が膜間腔（IMS）に存在する。ミトコンドリア内カルパイン2の活性化は、肝ミトコンドリアにおいて電位依存性陰イオンチャネル（VDAC）と相互作用することにより外膜（OMM）の透過性を増大させる。カルパイン2は海馬、小脳、および大脳皮質のミトコンドリアにも認められる。しかし、トリプシンにより精製した心筋ミトコンドリアでは、カルパイン2の存在はほとんど検出されなかった。カルパイン10は、カルシウム誘導性ミトコンドリア機能障害に関与する、別のミトコンドリア局在型カルパインである。腎皮質ミトコンドリアでは、カルパイン10は外膜、膜間腔、内膜、およびマトリックスに存在する。カルパイン10は心筋ミトコンドリアにも存在する。カルパイン10の活性化は、ミトコンドリア呼吸鎖を破綻させることにより細胞障害を増大させ、さらにリアノジン受容体介在性アポトーシスの破綻にも関与する。

シナプス可塑性におけるカルパインの役割：学習と記憶への示唆

カルパインは長期増強（LTP）および記憶形成に必須である。広域特異性プロテアーゼ阻害剤を用いた初期の研究により、この仮説を支持する最初のエビデンスが提示された。これらの結果はその後、遺伝学的操作によって確認され、カルパイン1の特異的サイレンシングまたは欠失、あるいは脳内における2つのカルパインアイソフォームの不活化により、LTPおよび特定の学習機能が障害され得ることが示された。それにもかかわらず、カルパインにより制御されるシナプス可塑性関連標的に関する正確な分子機序は、現在に至るまでなお不明である。カルパイン2介在性のmTOR活性化およびde novoタンパク質合成を介して、シナプスにおけるSCOPレベルは速やかに回復し、ERKリン酸化の基礎レベルが回復した。近年の多数の研究により、この機序が恐怖条件付けや物体認識など、さまざまな形態の記憶において機能し得ることが示されている。したがって、図5に示すように、カルパインによるLTP制御の現行モデルは2つの異なる相に区分できる。第1相では、LTP誘導過程において、NMDA受容体を介して流入するカルシウムによりカルパイン1が活性化され、スペクトリンおよびその他の細胞骨格タンパク質の分解を惹起すると同時に、SCOP分解を介してERK活性化を促進する。これにより、AMPA受容体を含む複数の下流タンパク質のリン酸化が生じ、結果としてそれらのシナプスへのリクルートが促進される（図1）。

図1. シナプス可塑性におけるタンパク質合成と細胞骨格再編成のクロストークの模式図（Briz, V.; Baudry, M. 2016）

第2相では、カルパイン2活性が刺激され、TrkB受容体活性化により開始されるAkt/mTORシグナル伝達カスケードが作動し、固定化（コンソリデーション）相において重要な役割を担う（図2）。したがって本モデルでは、可塑性イベントの間、プラスチシン1および2の活性が時空間的に厳密に制御されており、これは選択的な足場タンパク質複合体との会合によって達成される可能性が高いと仮定している。

図2. シナプス可塑性におけるカルパインの役割の模式的要約（Briz, V.; Baudry, M. 2016）