カスパーゼ7

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序論

食品の消化から、厳格に制御されたカスケード反応に至るまで、いずれもプロテアーゼの関与を必要とする生理反応である。アポトーシスは胚発生過程におけるデフォルトのプログラム細胞死様式であり、成体における恒常性維持にも不可欠である。カスパーゼは、進化的に保存されたアスパラギン酸特異的システインプロテアーゼのファミリーであり、アポトーシス機構の中核要素である。これらのプロテアーゼはすべて、触媒ドメインのN末端側に長さ可変のプロドメインを有する不活性前駆体（ザイモーゲン）として存在する。カスパーゼは通常、二段階のカスケードでシグナル伝達を行う（図1）。すなわち、大きなプロドメインを有する「イニシエーターカスパーゼ」（caspase-1、-8、-9など）が大型タンパク質複合体へリクルートされ、その後自己活性化が起こる。活性化されたイニシエーターカスパーゼは、短い阻害性プロドメインを有する「エフェクター（実行）カスパーゼ」から当該プロドメインを切断・除去し、多数の細胞内基質を切断可能にする。caspase-7は、caspase-3および-6とともにエフェクターカスパーゼのサブグループに属する。本酵素は当初、3つの独立した研究グループによりICE-LAP3、Mch3、CMH-1としてそれぞれクローニングされ、後にcaspase-7と改称された。長らく本プロテアーゼはcaspase-3と機能的に冗長であると考えられてきたが、多数の生化学的研究およびcaspase-7欠損マウスを用いた最新の研究により、アポトーシスおよび炎症において固有かつ重要な役割を担うこと、ならびにがんおよび炎症性疾患治療における新規標的となり得ることが示されている。

図1. カスパーゼ活性化機構の概略（Lamkanfi, M.; Kanneganti, T.D. 2010）

caspase-7の構造

procaspase-7の結晶構造、ならびに活性酵素の遊離型および阻害剤結合型の結晶構造が解明されたことにより、caspase-7の活性化機構に関する三次元構造が詳細に記述されている。procaspase-7は303アミノ酸からなるタンパク質で、細胞質において事前に組み立てられたホモ二量体として存在する。構造的には、ホモ二量体は中央の12本鎖βシートと、その周囲を取り巻く10本のαヘリックスから構成される。

図2. procaspase-7および活性型caspase-7ホモ二量体の模式図（Lamkanfi, M.; Kanneganti, T.D. 2010）

この「開いたα/βバレルフォールド」構造は、各々が活性部位を含む同一配置の2つの酵素ユニットからなる。各酵素ユニットは、20 kDaの大サブユニットと11 kDaの小サブユニットから構成され、caspase-7ザイモーゲンでは両者がリンカー配列により連結されている。リンカー領域は活性部位の秩序化（構造形成）を妨げるため、イニシエーターカスパーゼによるリンカー除去がcaspase-7活性化の前提条件となる。これは、それぞれAsp198–Ser199間およびAsp206–Ala207間のペプチド結合の切断により達成される。リンカーが除去されると、ループL2、L3、L4が空間的再編成を起こし、活性部位および基質結合ポケットを形成する。リンカー領域とは異なり、N末端プロペプチドはin vitroにおけるprocaspase-7の活性化には影響しない。しかしながら、プロドメインは細胞内においてcaspase-7の酵素活性に負の影響を及ぼすことが示されているものの、その機序は明らかではない。

図3. procaspase-7の三次元構造（Lamkanfi, M.; Kanneganti, T.D. 2010）

caspase-7の生物学的機能

死のシグナルは受容体のクラスター形成を介して細胞質へ伝達され、caspase-8および-10の活性化を引き起こす。一方、化学療法薬や紫外線照射はDNA損傷を惹起し、ミトコンドリアのシトクロムcが細胞質へ放出される。放出されたシトクロムcはアダプタータンパク質Apaf-1に結合してアポトソームを形成する。この大型タンパク質複合体はcaspase-9を活性化する。活性化されると、caspase-8、-9、-10はエフェクターカスパーゼであるcaspase-3および-7をプロセシングする。成熟したcaspase-3および-7は多数の基質を切断する能力を有し、最終的にホスファチジルセリンの外表出など、アポトーシスに特徴的な形態学的・生化学的指標をもたらす。caspase-7のタンパク質分解による成熟化は、アポトーシス時のみならず炎症条件下でも観察される。興味深いことに、リポ多糖（LPS）およびATPで刺激したマクロファージ、あるいはグラム陰性病原体Legionella pneumophilaおよびSalmonella typhymuriumに感染したマクロファージでは、caspase-7の活性化に「インフラマソーム」と呼ばれるcaspase-1複合体が必要である。また、多数の生化学的研究により、caspase-7がcaspase-1の直接基質であることが示されている。過剰な細胞死および／または炎症が疾患に結び付く場合、caspase-7の活性化を阻害する介入は有益となり得る。caspase-7の別の潜在的応用として、敗血症におけるリンパ球細胞死の抑制が挙げられる。さらに、caspase-7遺伝子の一塩基多型（SNP）は、インスリン依存性糖尿病および関節リウマチとも密接に関連することが報告されている。