ホスホジエステラーゼ

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ホスホジエステラーゼ（PDE）は、細胞内のセカンドメッセンジャー（cAMP：環状アデノシン一リン酸、cGMP：環状グアノシン一リン酸）を加水分解し、細胞内cAMPまたはcGMPを分解することで、これらセカンドメッセンジャーにより媒介される生化学的作用を終結させる機能を有する。cAMPおよびcGMPは細胞活動の制御において重要な役割を担う。その濃度調節は主として、アデニル酸シクラーゼによる合成とホスホジエステラーゼ（PDE）による加水分解とのバランスによって規定される。PDEはヒト体内に広く分布し、その生理作用は多岐にわたる研究領域に関与する。近年、新規治療標的としてPDEが多くの研究者から注目を集め、新たな研究ホットスポットとなっている。特に、選択的PDE4阻害薬およびPDE5阻害薬の臨床研究が注目されている。

図1．cGMP。

遺伝子型解析

分子クローニング技術により、ホスホジエステラーゼ（PDE）は大規模なマルチジーンファミリーであることが明らかとなっている。選択的ホスホジエステラーゼ阻害薬の開発は、多くの疾患治療に対する新たなアプローチを切り開く可能性がある。PDEは複数遺伝子からなる大きなファミリーであり、基質特異性、酵素反応速度論的特性、調節特性、ならびに細胞内および細胞内小器官レベルでの分布が異なる11種類、30種以上のPDEアイソザイムを含む。類似した構造として、調節領域と触媒領域の2つの機能領域を有する。すべてのPDE型における触媒領域のアミノ酸配列は75％以上が同一であり、ファミリーメンバー間の相同性を示すとともに、基質または阻害剤の特異性を規定する。PDEには基質特異性の違いがあり、PDE4、PDE7、PDE8はcAMPに特異的に作用する一方、PDE5、PDE6、PDE9はcGMPに選択的に作用する。PDE3はcAMPおよびcGMPに同程度の親和性で結合するが、相対的にcGMPを加水分解しないため、機能的にはcAMP特異的と考えられ、cGMPは酵素部位への競合的結合を介して負の調節因子として作用する。

分類

• ホスホジエステラーゼ1

PDE1にはPDE1A、PDE1B、PDE1Cの3つのアイソザイムがあり、それぞれ異なる遺伝子によりコードされる。PDE1の触媒活性は2つのCaM結合領域により調節されるが、各アイソザイムは活性化に必要なCa閾値がそれぞれ異なる。PDE1CはcAMPおよびcGMPを同程度に加水分解し、グルコース刺激性インスリン分泌を低下させ得る。

• ホスホジエステラーゼ2

PDE2は組織および細胞内で異なる分布を示す。膜結合型酵素は脳および心臓に存在し、可溶性酵素は肝臓および血小板に認められる。PDE2はT細胞にも分布する。抗原受容体が結合すると、胸腺細胞におけるPDE2活性はダウンレギュレーションされる。

図2．ホスホジエステラーゼ2の構造。

• ホスホジエステラーゼ3

ヒトPDE3の2つのアイソザイムであるPDE3AおよびPDE3Bは、それぞれ第12染色体および第11染色体上に位置する異なる遺伝子産物である。PDE3AおよびPDE3Bの触媒領域はいずれも、異なる44アミノ酸の挿入配列を含む。この44アミノ酸の差異は、PDE3AとPDE3Bを相互に区別するだけでなく、PDE3の触媒部位を他のPDE型と区別する要因ともなる。

図3．cAMPおよびcGMP媒介性シグナル伝達におけるPDE3の役割。

• ホスホジエステラーゼ4

ヒトPDE4のアイソザイムは多様であり、PDE4A、PDE4B、PDE4C、PDE4Dの4つのサブタイプに分類される。PDE4は多様な炎症細胞におけるcAMP加水分解に関与する。したがって、PDE4を阻害することで免疫細胞および炎症細胞を抑制し得る。

図4．ホスホジエステラーゼ4。

• ホスホジエステラーゼ6

PDE6は、視細胞における光変換カスケード反応の重要な酵素である。その活性はヘテロ三量体Gタンパク質により調節される。杆体細胞のPDE6ホロ酵素は四量体タンパク質であり、2つの大型触媒サブユニットαおよびβと、PDE6阻害作用を有する2つの小型γサブユニットから構成される。

• ホスホジエステラーゼ7

PDE7A1およびPDE7A2は、同一遺伝子の異なる発現により生じるバリアントである。両者のmRNAは各種組織で広く発現している。しかし、タンパク質発現には厳格な制限があり、PDE7の機能的役割により、そのタンパク質翻訳が高度に制御されていることが示唆される。PDE7A1の活性およびタンパク質はTリンパ球で認められている。PDE7の阻害は、特定の免疫異常の治療に有益である可能性がある。

遺伝子型解析

分子クローニング技術により、ホスホジエステラーゼ（PDE）は大規模なマルチジーンファミリーであることが明らかとなっている。選択的ホスホジエステラーゼ阻害薬の開発は、多くの疾患治療に対する新たなアプローチを切り開く可能性がある。PDEは複数遺伝子からなる大きなファミリーであり、基質特異性、酵素反応速度論的特性、調節特性、ならびに細胞内および細胞内小器官レベルでの分布が異なる11種類、30種以上のPDEアイソザイムを含む。類似した構造として、調節領域と触媒領域の2つの機能領域を有する。すべてのPDE型における触媒領域のアミノ酸配列は75％以上が同一であり、ファミリーメンバー間の相同性を示すとともに、基質または阻害剤の特異性を規定する。PDEには基質特異性の違いがあり、PDE4、PDE7、PDE8はcAMPに特異的に作用する一方、PDE5、PDE6、PDE9はcGMPに選択的に作用する。PDE3はcAMPおよびcGMPに同程度の親和性で結合するが、相対的にcGMPを加水分解しないため、機能的にはcAMP特異的と考えられ、cGMPは酵素部位への競合的結合を介して負の調節因子として作用する。

作用機序

神経伝達物質、ホルモン、光および嗅覚のセカンドメッセンジャーとして、cAMPおよびcGMPは、キナーゼ、イオンチャネル、各種PDEなど、細胞内の標的分子に広く作用する。外部シグナルが膜を介して伝達され、一連の生理反応によりヌクレオチドシクラーゼが活性化されると（図1参照）、cAMPおよびcGMPが産生される。PDEファミリーの役割は、これらを加水分解して不活化し、5’-モノリン酸ヌクレオシド（AMP）へ変換することである。ヌクレオチドシクラーゼによる合成と、PDEによる加水分解・不活化とのバランスが、セカンドメッセンジャーであるcAMPおよびcGMPの濃度を規定する。なお、cGMPはPDEにより加水分解されるだけでなく、一部のPDE活性を調節し得る点に留意すべきである。例えば、PDE2はcGMPにより刺激される一方、PDE3はcGMPにより阻害され、PDE4はcGMPに対して感受性を示さない。