CTSD

カテプシンDはリソソームに遍在的に分布し、CTSDおよびCPSDとしても知られるリソソーム性アスパラギン酸エンドプロテアーゼであり、ヒトにおける長寿命タンパク質のクリアランスに重要である。プレプロカテプシンDは粗面小胞体で合成される。CTSDはペプチダーゼA1ファミリーに属し、ペプシンAに類似するが、より狭い基質特異性を有する。CTSDは、前リソソーム区画においてタンパク質分解および生理活性タンパク質前駆体の活性化という主要機能を示す。さらにCTSDは、抗原プロセシング、細胞増殖、組織の更新、プロホルモン活性化などの生物学的過程にも関与する。

分布および局在

CTSDはほぼすべての組織・臓器で合成されることが報告されており、リソソームおよび多くの前リソソーム区画に局在する。CTSDのザイモーゲンは、ヒト、ウシおよびラットの乳中で検出される。細胞からのCTSD放出は、エキソサイトーシス事象に関与することが示唆されている。細胞外へのCTSD漏出は、マンノース-6-リン酸受容体依存性のエンドサイトーシスおよび受容体非依存性のプロセスにより補償され得る。CTSDの核内局在も実証されている。CTSDの細胞質局在は、アポトーシスにおけるCTSDの提唱機能と関連する。

分子構造

CTSDはCTSD遺伝子によりコードされ、この遺伝子は、単一のタンパク質前駆体から生成されるジスルフィド結合性の重鎖および軽鎖からなるタンパク質二量体を構成するアスパラギン酸プロテアーゼをコードする。CTSD遺伝子の転写は複数の部位から開始され、そのうちの一つはエストロゲン制御性転写産物の開始点である。本遺伝子の変異は、乳癌やアルツハイマー病の可能性を含む複数の疾患の病態形成と関連する。CTSD遺伝子のホモ接合性欠失は、生後早期の致死をもたらす。さらに、CTSD遺伝子欠損は、神経セロイドリポフスチン症（NCL）の基礎原因でもある。CTSDのペプチド鎖はCTSD軽鎖およびCTSD重鎖に切断され、これらは疎水性相互作用により結合する。CTSDの触媒部位は、14 kDa鎖および34 kDa鎖にそれぞれ位置するアミノ酸33および231の2つの重要なアスパラギン酸残基から構成される。成熟CTSDの最終構造は337アミノ酸残基からなり、重鎖196残基、軽鎖141残基で構成される。

作用機序

CTSDの疎水性残基は、その切断機能における選好因子であるだけでなく、疎水性に起因して認識にも寄与することが見いだされている。近傍疎水性スコア（HSN）は、CTSD認識部位の疎水性微小環境を記述するために提案された概念であり、複数タンパク質におけるCTSD切断の調査から、HSNがCTSD切断におけるペプチドの好適部位を判断する感度の高い指標であることが示唆されている。HSN値が0.5～1.0の範囲は閾値となる可能性が高く、HSN値が高いほど切断されやすいことを意味する。さらに実施された二次元ゲル電気泳動により、全αヘリックスからなる構造を有するインタクトタンパク質は、CTSD切断に対して比較的感受性が高いことが示された。

機能

CTSDは生理学的過程および病態生理学的過程の双方において重要な位置を占める。CTSDは肝細胞エンドソームにおいてpH 5で活性化され、インスリンを分解する。低pHに加え、CTSDの活性化は活性部位のAsp残基のプロトン化にも決定的に依存する。これらの要因はいずれも、pH低下に伴いプロテアーゼのN末端セグメントが活性部位から除去されるというCTSDのコンフォメーションスイッチを引き起こす。他のアスパラギン酸プロテイナーゼと同様に、CTSDは活性部位の結合クレフトに最大8残基のアミノ酸を保持し得る。CTSDの生理機能は主として、細胞内タンパク質の代謝的切断、ポリペプチドホルモンおよび増殖因子の活性化と分解、酵素前駆体の活性化、酵素活性化因子および阻害因子の制御、脳抗原のプロセシング、ならびにプログラム細胞死の調節を含む。

臨床的意義

CTSD遺伝子欠損はNCLの原因であり、進行性の視機能低下および神経発達の退行、発作、ミオクローヌス、ならびに早期死亡を伴う。CTSD遺伝子のノックアウトは腸管壊死および出血を誘発し、胸腺におけるアポトーシスを促進することから、CTSDが組織リモデリングおよび更新に関与する特定の上皮細胞において必須であることが示唆される。一方で、血清CTSDレベルの上昇も特定の病的状態に関与する。CTSDの過剰発現は腫瘍形成能および転移を惹起するが、腫瘍細胞のアポトーシスも開始する。CTSD遺伝子型は、男性におけるアルツハイマー病リスクにも強い影響を及ぼす。CTSDの酵素活性は、アポリポタンパクB-100含有リポタンパク質の加水分解的修飾をもたらし、CTSDが動脈硬化とも関連し得ることを示す。非アルコール性脂肪性肝炎（NASH）のマーカーとしてのCTSDは脂質代謝にも影響する。CTSD活性の阻害は脂質代謝を著明に改善し得るため、NASHに対抗する新規治療につながる可能性がある。CTSDは、臨床的転移の発生と関連する乳癌における予後不良の独立予測因子としても扱われている。CTSDの量および活性は、パーキンソン病の病態形成傾向を示す指標としても機能する。遺伝子・タンパク質送達、または化学的アロステリック改善によるCTSD機能の増強は、有効な治療法となり得る。

参考文献