コラゲナーゼ

コラゲナーゼは、生理的pHおよび温度条件下において、他のタンパク質や組織を損なうことなく、天然コラーゲンの三次元らせん構造を特異的に加水分解することができます。コラゲナーゼの化学的本質はタンパク質であるため、温度、pH、ならびにタンパク質変性を引き起こす各種要因に対して非常に感受性が高く、立体構造（コンフォメーション）や性状を変化させ得る外的条件の影響を受けやすい特性があります。

分類

コラゲナーゼは、その存在形態の違いにより、ヒト内因性コラゲナーゼと医薬用コラゲナーゼに大別されます。ヒト内因性コラゲナーゼとは、ヒト体内に存在するコラゲナーゼを指します。上皮組織、関節滑膜、椎間板にはそれぞれ異なるレベルのコラゲナーゼが存在し、体内におけるコラーゲン分解に不可欠な役割を担っています。医薬用コラゲナーゼとは、Clostridium histolyticum の発酵培養液から、バイオ医薬品の高度技術を用いて抽出・精製して得られる、白色または類白色の無菌凍結乾燥粉末を指します。

コラゲナーゼは、I型、II型、III型、IV型、V型、および肝細胞用特殊コラゲナーゼに分類することもできます。コラゲナーゼの種類は、分離・消化する組織の種類に応じて選択する必要があります。コラゲナーゼIは、上皮、肺、脂肪、副腎組織細胞の分離に用いられます。コラゲナーゼIIは、肝、骨、甲状腺、心臓、唾液腺組織に適しています。コラゲナーゼIVは、分子量68～130 kDaの範囲にある少なくとも7種のプロテアーゼ成分を含み、多様な組織を消化できます。コラゲナーゼVは、膵島組織の単離に使用でき、結合組織を単一細胞へと解離させます。

構造

コラゲナーゼは、Clostridium histolyticum において、相互に独立した2つの異なる遺伝子により産生されます。両遺伝子はクローニングおよび塩基配列決定が行われています。colG遺伝子はI型コラゲナーゼをコードし、936アミノ酸からなるペプチドです。colH遺伝子はII型コラゲナーゼをコードし、1021アミノ酸からなるペプチドです。これらの遺伝子は72%の相同性を有し、タンパク質としては43%の相同性を示します。両遺伝子産物はいずれも、分子量の異なる2種以上のアイソフォームとして存在し得ます。そのため、粗コラゲナーゼ混合物には、68～130 kDaの範囲にわたる6～8種の異なる分子量種が含まれ得ます。基質特異性に関する検討では、colH遺伝子産物と比較して、colG遺伝子産物は、インタクトなコラーゲンなどの天然基質をより選好することが示されています。これに対し、colH遺伝子産物は、colG遺伝子産物に比べて、短鎖の合成基質（FALGPA）に対して優先的に作用します。

性状

コラゲナーゼの至適pHは6～7、至適温度は35～45℃です。酵素活性は45℃以下で安定であり、80℃で10分間処理すると不可逆的に失活します。Ca²⁺、Mg²⁺、Ba²⁺、Mn²⁺ などの金属イオンは酵素活性を促進し、一方で Co²⁺ および Hg²⁺ は酵素活性を阻害します。Ca²⁺ を完全に透析除去しても、コラゲナーゼ活性は失われません。20 mmol/LのEDTAを添加すると、酵素活性はほぼ消失します。さらに過剰量の塩化カルシウムを追加しても、回復する活性は85%にとどまります。コラゲナーゼ活性は、金属イオンキレート剤であるEDTA、メルカプト化合物（メルカプトエタノール、還元型グルタチオン）、および正常ヒト血漿により阻害されます。

触媒機構

クラスIおよびクラスII酵素が、3種類すべてのコラーゲンに対して初期に攻撃する高反応性部位は、1992年に同定されました。切断部位はいずれも、反復配列であるGly-X-Yからなるコラーゲン配列中のYaa-Gly結合に位置します。クロストリジウム由来コラゲナーゼが、天然の三重らせん構造を有するI型、II型、III型コラーゲンを小ペプチドの混合物へと消化できる点が、主要な識別特性です。これは、三重らせんに対して複数箇所の切断（scission）を導入することで達成されます。消化は、それらの断片をさらに加水分解して小ペプチド混合物とすることで完了します。これに対し、脊椎動物のコラゲナーゼは、3本のα鎖すべてを横断する単一の切断を導入することでコラーゲン分解を開始し、その後のα鎖への攻撃は非常に限定的です。ゼラチナーゼおよびその他のプロテアーゼは、三重らせんが変性した後にのみコラーゲン分解を進行させます。

用途

細菌由来のコラゲナーゼは、主として臨床および実験室用途で使用されます。臨床用途には、外傷治療、腰椎椎間板および坐骨神経の治療などが含まれます。実験室では、主にマウス肝細胞の単離およびコラーゲンの分解に用いられます。さらに、コラゲナーゼはコラーゲンを分解することで食肉を軟化させることもでき、食品産業においても重要な意義を有します。