CBS

シスタチオニンβ合成酵素（CBS）は、in vivoにおけるホモシステイン（Hcy）のトランススルフレーション（硫黄転移）経路代謝の鍵酵素である。CBS活性の低下はHcyの異常高値を招き、高ホモシステイン血症（Hyperhomocysteinemia：HHcy）を来す。HHcyは動脈硬化（AS）の形成に関与し、心血管疾患の新たな独立リスク因子である。1960年代にMcCullyが、CBS欠損（先天性、またはシスチン尿症のホモ接合体）患者が若年でASを発症し早期死亡することが多いと報告して以来、CBSとHHcyおよびASとの関連に関する研究は継続的に深化している。

構造

CBSは細胞質に局在し、63 kDaサブユニットからなるホモ四量体である。CBSは、ピリドキサールリン酸（PLP）依存性酵素のβファミリーに属するヘムタンパク質である。各サブユニットは2つの補因子（ヘムおよびPLP）に結合する。ヒトCBSは、ヘム結合領域、高度に保存された触媒ドメイン、および調節ドメインから構成される。ヘムはN末端の最初の70アミノ酸残基に結合し、この領域ではCys52およびHis65がヘム鉄結合残基である。高度に保存された触媒ドメインはアミノ酸残基40〜413に位置し、45 kDaの活性中心を形成し得る。この領域のLys119はPLP結合残基であり、PLPはCBS触媒反応に必須である。C末端側の140アミノ酸残基からなる調節ドメインは、ヒトCBS四量体の形成および酵素活性化に重要な役割を担う。この領域には、アデノシルメチオニン（AdoMet）結合部位の自己阻害領域（アミノ酸残基421〜468）が含まれる。AdoMetはメチオニン代謝における重要な調節ハブであり、CBSのアロステリック活性化因子であると同時に、5,10-メチレンテトラヒドロ葉酸還元酵素（MTHFR）およびベタイン-ホモシステインメチルトランスフェラーゼ（BHMT）媒介の触媒反応に対するアロステリック阻害因子でもある。

触媒機構

Hcyは含硫アミノ酸であり、メチオニンの脱メチル化により生成され、その代謝にはトランススルフレーション経路とメチル化経路の2経路が存在する。CBSはトランススルフレーション経路の鍵酵素である。補酵素としてPLPが関与する条件下で、CBSはβ置換反応を触媒し、Hcyとセリンの縮合によりシスタチオニンを生成する。シスタチオニンはさらに、シスタチオニンγリアーゼ（CSE）の作用によりシステインおよびα-ケト酪酸へと変換される。ヒト体内では、Hcyのおよそ53%がCBSおよびCSEにより不可逆的にシステインへ変換される。メチル化経路では、葉酸およびビタミンB₁₂の補助によりHcyからメチオニンが再合成される。これら2経路は主としてAdoMet濃度に依存して概ねの恒常性が協調的に維持されており、CBS活性の低下はトランススルフレーション経路の破綻を介してHHcyを引き起こし得る。

影響因子

第一に、アロステリック活性化因子である。AdoMetはCBSのアロステリック活性化因子であり、CBS活性を2〜5倍に増加させる。活性化機序は、AdoMetがC末端調節ドメイン内の自己阻害領域に誘導する立体構造変化に関連する可能性がある。第二に、補因子である。ヘムはレドックスセンサーであり、その酸化還元状態の変化によりCBS活性が変動し得る。したがって、ヘムのレドックス状態を変化させる補因子はCBS活性に影響を及ぼし得る。第三に、CBS遺伝子変異である。CBS遺伝子の変異は、酵素の安定性、補因子および基質への結合、ならびにアロステリック因子による調節の破綻を引き起こし、結果として酵素活性に影響する。これまでに132種類のCBS遺伝子変異が報告されており、主としてエクソン3およびエクソン8に集中している。変異の大半はミスセンス変異であり、次いで欠失変異、挿入変異、スプライシング変異が続く。

関連疾患

CBS遺伝子変異はCBS活性低下とHHcyの形成を引き起こし、HHcyはASの形成に関与する。現在、臨床研究および疫学研究の多くにより、総ホモシステイン（tHcy）値が頸動脈、冠動脈、および末梢動脈における動脈硬化の程度と関連することが示されている。HHcyは以下の側面からAS形成に関与し得る。第一に、血管内皮細胞障害である。金属イオン（Fe³⁺またはCu²⁺）存在下で、Hcyはスルフヒドリル基を介して自己酸化を受け、過酸化水素（H₂O₂）、スーパーオキシドアニオン（O_2-）、OH^-などの活性酸素種が生成される。これらが酸化ストレスを誘導し、内皮細胞障害を引き起こす。第二に、血管平滑筋細胞の増殖促進である。カタラーゼ存在下の血管平滑筋細胞（VSMC）培地に1.0 mmol/LのHcyを添加すると、DNA合成が1.5倍に増加し、VSMCが2倍に増加した。細胞・分子機序としては、Hcyにより誘導されるH₂O₂非依存性経路の活性化およびマイトジェン活性化プロテインキナーゼ（MAPK）の活性化が関与する可能性がある。活性化されたMAPKは細胞増殖応答を惹起し、VSMCコラーゲン合成を促進することでAS進展を加速する。第三に、血小板活性化および血栓形成促進である。Hcyは血小板を活性化し、血小板濃度依存的なL-アルギニン取り込みを低下させ、結果として一酸化窒素（NO）合成を減少させる。さらにHcyはアデノシン二リン酸（ADP）分解酵素活性を阻害し、ADP分解を低下させることでADP依存性凝集を増強し、血小板の粘着・凝集を亢進させ、血栓形成を促進する。第四に、炎症因子の活性化である。ASは慢性炎症性疾患である。細胞培養実験では、Hcyが単球走化性タンパク質（MCP-1）の発現を増強し、MCP-1が単球と内皮の結合および内膜下への浸潤を促進してASの進展を加速することが示された。