システインプロテアーゼ

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システインプロテアーゼにはカテプシンB、H、Lなどが含まれ、一般にリソソーム内に存在し、主として貪食作用ならびに細胞内の過剰物質の除去・分解に関与する。システインプロテアーゼ（別名：チオールプロテアーゼ）はタンパク質を分解する酵素である。これらのプロテアーゼは、触媒三残基または二残基における求核性システインチオールを介する共通の触媒機構を有する。システインプロテアーゼは、パパイヤ、パイナップル、イチジク、キウイフルーツなどの果実にも一般的に認められる。果実が未熟なほどプロテアーゼの含有比率が高い傾向がある。実際、異なる植物科に属する多数のラテックスにシステインプロテアーゼが含まれることが知られている。システインプロテアーゼは食肉軟化剤の成分として利用されている。

図1．システインプロテアーゼのタンパク質構造。

序論

近年、カテプシンB（CB）の役割がますます注目されている。正常組織から単離されたCBの至適pHは酸性であり、中性またはアルカリ性条件下では不活性である。一方、腫瘍組織におけるCBは中性〜アルカリ性条件下でも活性が高く、悪性腫瘍の代謝異常により適合している可能性が示唆される。CBはI型コラーゲン、ラミニン（LN）、プロテオグリカン（PG）を分解し、間質コラゲナーゼを活性化するとともに、IV型コラーゲンを活性化し、さらにマトリックス中のI、II、IIIおよびIV型コラーゲン線維を分解し得る。したがって、腫瘍の浸潤および転移に関与する。研究者らは喉頭癌の癌組織および隣接組織におけるシステインプロテアーゼならびにその阻害因子の濃度を測定し、癌組織におけるシステインプロテアーゼおよびその阻害因子の濃度が隣接組織より有意に高いことを見出した。この結果は、これらが腫瘍浸潤の全過程に関与している可能性を示唆する。

触媒機構

システインプロテアーゼがペプチド結合の加水分解を触媒する反応機構の第一段階は、酵素活性部位のスルフヒドリル基が、近傍に存在する塩基性側鎖を有するアミノ酸（通常はヒスチジン残基）によって脱プロトン化されることである。次段階では、脱プロトン化されたシステインアニオンの硫黄が基質のカルボニル炭素に求核攻撃を行う。この段階でアミン末端側が離脱して基質断片が放出され、プロテアーゼ中のヒスチジン残基は脱プロトン化状態となり、基質の新たなカルボキシ末端がシステインチオールに結合してチオエステル中間体を形成する。このため、これらはチオールプロテアーゼと呼ばれることがある。続いてチオエステル結合が加水分解され、残存する基質断片にカルボン酸部分が生成すると同時に、遊離酵素が再生される。

制御

プロテアーゼは通常、トリプシノーゲンやキモトリプシンなどのセリンプロテアーゼ前駆体、ペプシノーゲンなどのアスパラギン酸プロテアーゼ前駆体に代表されるように、ザイモーゲン（不活性前駆体）と呼ばれる大きな前駆体タンパク質として合成される。プロテアーゼは、阻害セグメントまたは阻害タンパク質が除去されることで活性化される。プロテアーゼが特定の細胞内区画（例：リソソーム）または細胞外環境（例：胃）へ輸送されると、活性化が起こる。この仕組みにより、プロテアーゼ産生細胞が自己消化により損傷することが防止される。プロテアーゼ阻害因子は通常、プロテアーゼの活性部位に侵入またはこれを遮断して基質の結合を阻止するドメインを有するタンパク質である。競合阻害では、阻害因子が活性部位に結合し、酵素と基質の相互作用を阻害する。非競合阻害では、阻害因子がアロステリック部位に結合して活性部位の構造を変化させ、基質が結合できない状態にする。

阻害因子

システインプロテアーゼ阻害因子は3種類に分類できる。I型は細胞内に存在する単鎖タンパク質で、アミノ酸残基数は100程度、ジスルフィド結合および糖鎖を有さない。II型は分泌型で、アミノ酸残基数は約115、2本のジスルフィド結合を有する。III型は多ドメインタンパク質であり、哺乳類のキニノーゲンがこれに属する。さらに、型分類されないシステインプロテアーゼ阻害因子も存在する。

参考文献

1. Grudkowska M.; et al. Multifunctional role of plant cysteine proteinases. Biol Chem. Acta Biochim. Pol. 2004, 51 (3): 609–24.