ノイラミニダーゼ

ノイラミニダーゼ（シアリダーゼとも呼ばれる）は、ノイラミン酸のグリコシド結合を加水分解して切断する糖加水分解酵素（グリコシド加水分解酵素）の一群である。ノイラミニダーゼは多様な生物に存在する大きな酵素ファミリーである。最もよく知られているのはウイルス性ノイラミニダーゼであり、インフルエンザ感染の拡大防止を目的とした医薬品の標的として位置付けられている。1940年代、米国の科学者ジョージ・ハーストは、インフルエンザウイルス試料を赤血球（エリスロサイト）と混合した検体中に、赤血球表面の受容体を分解する物質が存在することを同定した。その後まもなく、ドイツ生まれの英国の生化学者アルフレッド・ゴットシャルクが、これらの受容体破壊酵素がノイラミニダーゼであることを見いだした。

分類

触媒機構に基づき、ノイラミニダーゼはエキソ型またはエンド型でポリシアル酸を切断する2群に分類される：

• 末端シアル酸残基のα-(2→3)-、α-(2→6)-、α-(2→8)-グリコシド結合のエキソ加水分解
• オリゴ（シアル酸）またはポリ（シアル酸）における(2→8)-α-シアロシル結合のエンド加水分解

由来に基づき、ノイラミニダーゼは3群に分類される：

• ウイルス性ノイラミニダーゼ
• 細菌性ノイラミニダーゼ
• 哺乳類ノイラミニダーゼ

インフルエンザのノイラミニダーゼには既知の9つのサブタイプがあり、その多くはアヒルおよびニワトリの品種にのみ認められる。N1およびN2サブタイプはヒトの流行と正の相関を示し、N3またはN7サブタイプは一部の散発的な死亡例で検出された。

ウイルス性ノイラミニダーゼ

ウイルス性ノイラミニダーゼはインフルエンザウイルス表面に存在するノイラミニダーゼの一種であり、ウイルスが宿主細胞から放出されることを可能にする。インフルエンザAではノイラミニダーゼの9サブタイプが記載されている一方、インフルエンザBでは1サブタイプのみが明らかにされている。ノイラミニダーゼはインフルエンザウイルスの複製に必須である。インフルエンザウイルスが複製する際、ヘマグルチニンを介して細胞表面に結合する。シアル酸は宿主細胞表面の各種糖タンパク質上に存在し、ウイルスはこれらの基を利用して宿主細胞に結合する。ウイルスが細胞から放出されるためには、ノイラミニダーゼが宿主糖タンパク質からシアル酸基を酵素学的に切断する必要がある。シアル酸基の切断はインフルエンザ複製の不可欠な過程であるため、ノイラミニダーゼ阻害薬によりノイラミニダーゼ機能を阻害することは、インフルエンザ治療として有効なアプローチである。

図1．インフルエンザの構造（ノイラミニダーゼをNA、ヘマグルチニンをHAとして表示）。

構造

インフルエンザのノイラミニダーゼは、インフルエンザウイルス表面に突出するキノコ状の構造で、470個のアミノ酸残基から構成される。NAの三次元構造は、同一平面上に配置された概ね球状の4つのサブユニットと、ウイルス膜内部に埋め込まれた疎水性領域から成る。NAの頭部領域は1つの大きなドメインからなり、6つの同一な逆平行βシート（モチーフ）がプロペラ様構造として配列されて形成される。インフルエンザのノイラミニダーゼは単一のポリペプチド鎖からなり、その配向はヘマグルチニン抗原とは逆方向である。ポリペプチドの組成は、保存性の高い6つの極性アミノ酸からなる単一鎖に続いて、親水性で可変的なアミノ酸が連なる。タンパク質二次構造としてはβシートが優勢である。

機構

ノイラミニダーゼの酵素反応過程は4段階に区分される。第1段階では、α-シアロシドがシアリダーゼに結合すると、²C₅の椅子型配座が擬似ボート型配座へとねじれて変換される。第2段階では、オキソカルボカチオン中間体であるシアロシルカチオンが生じる。第3段階では、まずα-アノマーとしてNeu5Acが生成し、その後、変旋光（ムタローテーション）を経て、熱力学的により安定なβ-Neu5Acとして放出される。

図2．インフルエンザウイルス・シアリダーゼ4の触媒機構（提案）。

阻害薬

すべてのインフルエンザウイルスは、ヘマグルチニンおよびノイラミニダーゼという2種類の表面糖タンパク質を有し、これらが当該インフルエンザ株を規定する抗原となる。これら分子は経時的に変異し、ウイルスがヒトの免疫応答を回避することを可能にするため、毎年新たなワクチン製剤の策定が必要となる。ヘマグルチニンはシアル酸受容体結合分子であり、標的細胞へのウイルス侵入を媒介する。ノイラミニダーゼは、新たに形成されたウイルス粒子が結合している細胞受容体のシアル酸残基を切断する。この切断によりウイルスが遊離し、新たな細胞へ侵入できるようになる。ノイラミニダーゼがなければ感染は1回の複製サイクルに限定され、疾患を引き起こすには不十分であることが多い。

シアル酸の遷移状態アナログがインフルエンザ・ノイラミニダーゼを阻害し得ることは1970年代に初めて認識されたが、インフルエンザ・ノイラミニダーゼの三次元構造解析により触媒部位の位置および構造が明らかになったことで、高い有効性を有する阻害薬の設計が可能となった。ザナミビルのような強力な阻害薬は天然基質を緊密に模倣し、活性部位ポケットに適合して、エネルギー的に最も有利な相互作用でタンパク質と結合する。ザナミビルは経口吸入により投与され、薬剤を呼吸器系へ直接送達する。オセルタミビルは、シアル酸アナログ骨格への改変（疎脂性側鎖の付加を含む）により開発され、経口投与が可能となった。

参考文献