HIVプロテアーゼ

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序論

米国疾病予防管理センター（CDC）が後天性免疫不全症候群（AIDS）を初めて報告した後、科学者らはヒト免疫不全ウイルス（HIV）がAIDSの原因病原体であることを見いだした。AIDSは急速に拡大し、短期間のうちに世界中へ広がった。AIDSに関する研究は途切れることなく継続され、とりわけHIV-1（HIV-1）に特異的な抗レトロウイルス療法の開発を中心に大きな進展が得られている。HIVレトロウイルスの同定と、その生活環における各要素の役割に関する深い理解は、ウイルス生活環の異なる段階を標的とする阻害剤の開発を世界中の研究者に促してきた。有望な標的の一つがHIV-1プロテアーゼ（HIV PR）であり、これはビリオンの適切な組み立ておよび成熟に重要な役割を果たす。本酵素の化学的作用機序を理解することは、高い有効性を有する阻害剤開発のための基礎要件であり続けている。

HIVはRNAの形で遺伝情報を保持するレトロウイルスの一種である。感染成立にはウイルス膜と細胞膜の融合が前提となる。この過程は、ウイルスエンベロープ糖タンパク質（gp120、gp41）および標的細胞上の受容体（CD4ならびに共受容体）によって媒介される。ウイルスが細胞内へ侵入すると、そのRNAは逆転写によりDNAへ変換される。続いてウイルスDNAは宿主細胞核へ移行し、インテグラーゼを介して細胞の遺伝物質へ組み込まれる。宿主細胞の活性化によりウイルスDNAがメッセンジャーRNAへ転写され、最終的にウイルスタンパク質へ翻訳される。HIVプロテアーゼはこの過程におけるウイルスコード酵素の3番目であり、ウイルスポリプロテイン前駆体を切断して単一の成熟タンパク質へ変換する役割を担う。ウイルスタンパク質とウイルスRNAは再集合して新たなビリオンを形成し、細胞から出芽して放出され、別の細胞へ感染する。

AIDS治療における合理的標的としてのHIVプロテアーゼ

HIVの生活環が特異的治療により阻害されない限り、感染後ウイルスは速やかに全身へ拡散し、免疫系の機能低下、さらには破綻を引き起こす。HIV生活環の解析により、ウイルス複製を阻止し得る複数の段階が整理されている。例えば、逆転写酵素（RT）を阻害する市販薬として、ヌクレオシド類似体であるAZT、ddI、ddC、d4Tが挙げられる。これらの介入によりDNA合成が停止する。第2のカテゴリーは、ネビラピン、エファビレンツ、デラビルジンなどの非ヌクレオシド系阻害剤（NNI）である。これらの阻害剤は酵素活性部位のコンフォメーション変化を誘導し、その作用を阻害する。HIV生活環におけるもう一つの重要段階は、HIV PRの触媒作用によりポリペプチド前駆体が成熟酵素および構造タンパク質へとタンパク質分解的に切断される過程である。未成熟なウイルス粒子は感染性形態へ成熟できないことが示されている。ウイルス生活環における本酵素の必須性は、HIV感染症治療における有望な標的であることを示唆する。

HIVプロテアーゼの構造

HIV PRは99アミノ酸からなるアスパラギン酸プロテアーゼで、ホモ二量体として機能する。米国国立がん研究所（NCI）は、HIV PRの構造情報を提供することを目的としたデータベースを構築している。これまでに、140種類を超えるHIV-1 PR、その変異体、ならびに各種阻害剤との複合体酵素が報告されている。TL-3と複合体を形成した酵素ホモ二量体を図1に示す（PDB ID: 3TLH）。

図1. TL-3と複合体を形成したHIV PRの構造（PDB: 3TLH）（Brik, A.; Wong, C.H. 2003）

各モノマーはフラップと呼ばれるグリシンに富むβシート領域を含み、その一部が基質結合部位を構成する。また、必須の2つのアスパラギン酸残基Asp-25およびAsp-25'の一方が空洞底部に位置する。基質とアミノ酸側鎖との相互作用が酵素特異性を規定する。標準命名法（図2）に従うと、S1およびS'1（S2およびS'2など）サブサイトは構造的に等価である。両S1サブサイトは強い疎水性を示し、S2サブサイトの大部分はAsp-29、Asp-29'、Asp-30、Asp-30'を除き疎水性である。S3サブサイトはS1サブサイトに隣接し、これも概ね疎水性である。

図2. 標準命名法P1⋯Pn、P1′⋯Pn′はペプチド基質のアミノ酸残基を指定するために用いられる（Brik, A.; Wong, C.H. 2003）