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PAD

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公式フルネーム
PAD
背景
ペプチジルアルギニンデイミナーゼは、アルギニンをシトルリンに変換する酵素である。in vitroにおけるペプチジルアルギニンデイミナーゼ活性にはカルシウムが必要である。
同義語
プロテインアルギニンデイミナーゼ；ペプチジルアルギニンデイミナーゼ；PAD；EC 3.5.3.15；75536-80-0
カタログ 製品名 EC番号 CAS番号 ソース 価格
EXWM-4517 プロテインアルギニンデイミナーゼ EC 3.5.3.15 75536-80-0 お問い合わせ
NATE-0501 ネイティブラビットペプチジルアルギニンデイミナーゼ EC 3.5.3.15 75536-80-0 ウサギの骨... お問い合わせ
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序論

ヒストンはクロマチンの必須構成要素であり、真核生物においてDNAの足場として機能する。ヒストン構造の変化は、DNA（または他の核内タンパク質）との相互作用に直接影響し、その結果、クロマチン全体の機能を変化させる。ヒストンには、メチル化、リン酸化、アセチル化、ユビキチン化、シトルリン化など、多様な翻訳後修飾（PTM）が高度に付加される。これらのうち、シトルリン化（脱イミノ化とも呼ばれる）とは、ペプチジルアルギニンをペプチジルシトルリンへ加水分解する反応である。この過程は、ペプチジルアルギニン脱イミノ化酵素（PAD）ファミリーによって触媒される。PADの過剰発現および酵素活性の亢進は、関節リウマチ（RA）、アルツハイマー病（AD）、パーキンソン病、多発性硬化症（MS）、がん等、多くの疾患で観察されている。

ヒトにおいてPADファミリーは、カルシウム依存性の5つのアイソザイム（PAD1～4およびPAD6）から構成され、配列相同性は約50%である。PADは多様な細胞・組織で発現しており、表皮および子宮（PAD1）、骨格筋、脳、炎症細胞、分泌腺（PAD2）、毛包およびケラチノサイト（PAD3）、顆粒球および複数のがん種（PAD4）、ならびに卵母細胞および胚（PAD6）で認められる。PAD4は、ヒストン脱イミノ化に関与することが示されている唯一のアイソザイムであるが、近年の報告ではPAD2もヒストンを脱イミノ化し得ることが示唆されている。さらに最近の研究により、PADは細胞質および核に加えて、PAD4やPAD2のように顆粒やミトコンドリアにも存在し得ることが示されている。

現在、フィブリノゲン、アクチン、フィラグリンもPADの基質であることを示すエビデンスがあり、これらタンパク質のシトルリン化は関節リウマチにおいて生じることが知られている。

PADs catalyze the hydrolysis of peptidyl-arginine to peptidyl-citrulline 図1. PADはペプチジルアルギニンからペプチジルシトルリンへの加水分解を触媒する（Bicker, K.L.; Thompson, P.R. 2014）

PADの構造と作用機序

カルシウムおよび基質結合の有無におけるPAD4の構造を明らかにするため、多くの研究が行われてきた。研究により、PAD4には合計5つのカルシウム結合部位が存在し、そのうち2つはN末端ドメインとC末端ドメインを架橋するのに寄与し、残り3つのカルシウム結合部位はN末端ドメインに局在することが示されている。これら3つの結合部位はさらに2つの免疫グロブリン様サブドメインに区分され、そのうち一方には核局在化シグナル（NLS）が含まれる。興味深いことに、N末端ドメインの残基158～171はカルシウム非存在下では高度に無秩序である一方、カルシウム存在下では高度に秩序化したαヘリックスを形成する。研究者らは、この立体構造変化がタンパク質と酵素の相互作用を制御すると推測している。C末端ドメインでは、カルシウム結合によりコンフォメーションシフトが誘導され、これにより活性部位クレフトが形成される。

近年、PADの触媒機構に関しても多くの研究が行われている。これらの研究により、PADは逆プロトン化機構を用いることが明らかとなり、PAD4の活性部位求核剤であるCys645は、酵素の活性型ではチオラートとして存在する。活性部位の別の重要残基であるHis471は、基質のグアニジノ基からのアンモニアの初期遊離を促進し、その後、水分子を活性化して基質の加水分解を完結させる。PAD1およびPAD3に関する研究でも、同様の逆プロトン化機構を介して反応が進行することが確認されている。

The proposed mechanisms of PAD inactivation by halo-acetamidine based inhibitors 図2. ハロアセトアミジン系阻害剤によるPAD不活化の提唱機構（Bicker, K.L.; Thompson, P.R. 2014）

新規PAD阻害剤の開発

いくつかの可逆的PAD阻害剤（例：タキソール、ストレプトマイシン、ミノサイクリン）が同定されているものの、これら化合物は比較的弱いPAD阻害剤であり、これまでに報告されている最も有効な阻害剤は酵素を不可逆的に修飾する。可逆的阻害剤の有効性が乏しい理由として、活性部位キャビティが小さく、酵素がカルシウムと結合した際にアルギニン残基の側鎖のみを収容できることが関与している可能性がある。可逆的阻害剤の有効性不足を背景に、研究者らは、より高い力価、選択性、およびバイオアベイラビリティを有するCl-amidineアナログの開発に注力してきた。ライブラリーアプローチを用いて新規PAD阻害剤も同定されている。例えば、固相合成により比較的小規模な264化合物ライブラリーを作製し、スクリーニングによってPAD阻害剤を同定した。この方法により、トリペプチド（Thr-Asp-F-amidine；TDFA）が、優れたin vivo力価を有し、PAD4に対して高い選択性（最大65倍）を示す阻害剤として同定された。

Structure, potency, and selectivity of the most useful PAD inhibitors 図3. 最も有用なPAD阻害剤の構造、力価、および選択性（Bicker, K.L.; Thompson, P.R. 2014）

Reference

  1. Bicker, K.L.; Thompson, P.R. The protein arginine deiminases (PADs): Structure, Function, Inhibition, and Disease. Biopolymers. 2014.
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