COX-1

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序論

シクロオキシゲナーゼ（COX）アイソ酵素であるCOX-1およびCOX-2は、プロスタグランジン、トロンボキサンおよびレブロウグランジンの生成を触媒する。プロスタグランジンはオートコイド（局所ホルモン）性メディエーターであり、Gタンパク質共役型膜受容体との可逆的相互作用を介して、心血管系、神経系、腎系、免疫系、消化管系、生殖系を含む、既知のほぼすべての生理学的および病理学的プロセスに影響を及ぼし得る。レブロウグランジンは比較的新しい生成物群で、種々のタンパク質に対する不可逆的な共有結合性付加を介して作用すると考えられている。COX酵素は、アスピリンおよび多くの非ステロイド性抗炎症薬（NSAIDs）により阻害され、この阻害が炎症性、発熱性、血栓性、神経変性および腫瘍性の病態の軽減に寄与し得ることから、臨床的に重要である。ホフマンが、サリチル酸塩の有効性を維持しつつ消化管刺激性を低減することを目的としてアセチルサリチル酸（アスピリン）を設計・合成してから、約100年が経過している。 

シクロオキシゲナーゼの触媒機構

相互作用の約95%は疎水性残基が関与する。部位特異的変異導入解析により、アラキドン酸のC-13位からproS水素を引き抜く残基（Tyr-385）、アラキドン酸のカルボキシラートアニオンとの静電的相互作用を担う残基（Arg 120）、およびPGG2を生成するのに最適となるようアラキドン酸の配向を規定する残基（Val-349、Trp-387、Leu-534）が同定されている。 図1は、COX-1の活性部位におけるアラキドン酸とアミノ酸残基との相互作用および触媒反応を示す。COXの2つのアイソフォームは、アミノ酸配列および触媒機構が類似している。マウス由来アポCOX-2の結晶構造解析からも、アラキドン酸が活性部位内で触媒不活性な配向を取り得ることが確認された。例えば、基質のアニオン性カルボキシラート末端はTyr 385およびSer 530と水素結合を形成し得るが、予測されるArg120とのイオン対は形成しない。代わりに、Arg 120残基は基質の疎水性ω末端と接触する。触媒活性状態では、COX-2はCOX-1と同様であり、すなわちアラキドン酸のカルボキシラートアニオンはArg 120およびTyr 355により配位され、基質のC13 pro(S)-水素原子はTyr 385近傍に位置する。

図1. 基質の位置決めおよび触媒反応を規定するCOX-1のアミノ酸残基（Fitzpatrick, F. 2004）

単一酵素タンパク質における二機能触媒：ペルオキシダーゼ活性とシクロオキシゲナーゼ活性の統合的作用

COX触媒におけるラジカルの重要な役割に関する初期報告以降、現在に至るまでにいくつかの知見が得られている。例えば、マンガンプロトポルフィリンIXで再構成した精製COX-1およびCOX-2酵素を過酸化物でプローブすると、ラジカル依存的酸化を反映する電子常磁性共鳴（EPR）スペクトルが得られる。本研究は、過酸化物により生成したラジカルが、COX-2およびMnCOX-1のいずれにおいても同一のアラキドン酸ラジカルを形成し、これがその後酸素と反応して脂質ヒドロペルオキシドを生成することを示している。EPRデータはまた、準安定なアラキドン酸ラジカルが、従来広く推測されてきたとおり、平面状のペンタジエニルラジカルを含むことを示唆している。

一次配列、結晶構造および触媒機構の類似性を踏まえると、COX-1およびCOX-2の触媒活性に対する組成的制御も概ね類似しており、相違は限定的である。例えば、COX-2アイソ酵素の触媒には、COX-1の触媒を促進する場合と比較して、必要なヒドロペルオキシド濃度が10分の1で足りる。研究者らは、両アイソフォームが同一の細胞内コンパートメントに存在する場合にCOX-2が優先的にPGを産生する機構による可能性を推測しているが、細胞がこの優位性をどのような理由で利用するのかは不明である。COX-2の構造安定性は、活性部位領域およびサブユニット全体のいずれにおいてもCOX-1より低く、これは脂肪酸基質および阻害剤に対する嗜好性の違い、ならびにCOX-2におけるより大きなポケットの存在に起因する可能性がある。COX-2の509位のバリン残基はCOX-1の523位のイソロイシン残基に相当するが、COX-1およびCOX-2双方の変異研究から、509/523位におけるバリンとイソロイシンの置換だけでは、アイソフォーム間の阻害剤特異性の差異をすべて説明できないことが示唆されている。したがって、構造安定性の差異が、それぞれの酵素活性部位におけるリガンド選択性に寄与している可能性がある。

図2. COX-1およびCOX-2への基質アクセスに対するアセチル化の影響。COX-2に対するアシル化の推定影響（Fitzpatrick, F. 2004）