プロテアーゼ

プロテアーゼ（ペプチダーゼ、プロテイナーゼとも呼ばれる）は、ペプチド結合を加水分解することにより、原始的な生物におけるタンパク質異化（カタボリズム）およびアミノ酸生成に必須の、比較的単純な加水分解酵素（分解酵素）の一種である。プロテアーゼはタンパク質進化の極めて初期段階で出現した可能性が高く、古くから多方面で利用されてきた。プロテアーゼのクラスが異なっても、全く異なる触媒機構により同一のタンパク質分解反応（プロテオリシス）を担うことが多い。プロテアーゼは動物、植物、真菌、細菌、古細菌、ウイルスなど多様な由来に存在し、消化、免疫機能、血液循環を含む多数の生体プロセスに関与する。

分類

触媒残基に基づき、プロテアーゼは大別して7群に分類される。すなわち、セリンプロテアーゼ、システインプロテアーゼ、スレオニンプロテアーゼ、アスパラギン酸プロテアーゼ、グルタミン酸プロテアーゼ、メタロプロテアーゼ、ならびに水を必要としない脱離反応をアスパラギン残基で担うアスパラギン・ペプチドリアーゼである。

実際には、プロテアーゼは進化的関連性に基づき主として84ファミリーに群分けされ、触媒型としてはセリン、システイン、アスパラギン酸、メタロの4型に分類される。スレオニンプロテアーゼおよびグルタミン酸プロテアーゼが記載されたのは、それぞれ1995年および2004年である。タンパク質分解酵素の第7の触媒型としてのアスパラギン・ペプチドリアーゼは2011年に記載された。そのタンパク質分解機構は特異であり、脱離反応を実行する過程で触媒アスパラギンが環状化学構造を形成し、適切な条件下でタンパク質中のアスパラギン残基部位において自己切断を生じさせる。このように根本的に異なる機構であるため、ペプチドリアーゼをペプチダーゼに含めるべきかは議論がある。別法として、プロテアーゼは活性が最適となるpHに基づいても分類でき、この分類では酸性プロテアーゼ、塩基性（アルカリ性）プロテアーゼ、ならびにI型過敏反応に関与する中性プロテアーゼが挙げられる。さらに最新のプロテアーゼ進化的スーパーファミリー分類はMEROPSデータベースに収載されており、構造、機構、触媒残基の配列順序に基づいてまず「クラン」（スーパーファミリー）に分類し、各クラン内で配列相同性に基づきファミリーへと細分類する。各ファミリーには数百の関連プロテアーゼが含まれ得る。現在までに50を超えるクランが知られており、それぞれがタンパク質分解の独立した進化起源を示す。

触媒機構

プロテアーゼは、アミノ酸残基を連結するペプチド結合を切断することで、長鎖タンパク質をより短い断片へと分解する。タンパク質鎖末端から末端アミノ酸を切り出すものもあれば、タンパク質内部のペプチド結合を攻撃するものもある。触媒反応は、主として以下の2機構のいずれかにより進行する。アスパラギン酸、グルタミン酸、メタロプロテアーゼは水分子を活性化し、求核剤として直接ペプチド結合を攻撃して加水分解する。セリン、スレオニン、システインプロテアーゼは（通常は触媒三残基を構成する）求核性残基を用いて基質タンパク質を攻撃し、プロテアーゼと共有結合的に結合させることで、生成物の前半を放出する。続いて、この共有結合性アシル化酵素中間体が活性化水により分解され、生成物の後半が遊離するとともに、遊離酵素が再生されて触媒反応が完結する。タンパク質分解は基質許容性が高い場合があり、広範なタンパク質基質が加水分解され得る。例えば消化酵素トリプシンは、摂取された多様なタンパク質をより小さなペプチド断片へ切断できる。しかし、基質許容性の高いプロテアーゼであっても、一般に基質上の単一アミノ酸残基に結合するため、その残基に対する特異性のみを示すことが多い。一方、特定配列を有する基質のみを切断する高い特異性を示すプロテアーゼも存在する。このレベルの特異性は、血液凝固やウイルスポリプロテインの精密な切断イベントに必須である。プロテアーゼ自体もタンパク質であるため、他のプロテアーゼ（同種の場合もある）により加水分解され得て、これはプロテアーゼ活性の調節機構として機能する。自己分解（オートリシス）後に活性が低下するものもあれば、逆に活性が増大するものもある。

機能

プロテアーゼ研究は長らく、タンパク質を破壊する非特異的な分解因子としての本来の役割に主眼が置かれてきた。これらの非特異的分解機能に加え、プロテアーゼはプロテオリティック・プロセシングにより高度に特異的な反応を触媒し、新たなタンパク質産物を生成することが明らかとなり、プロテアーゼ研究の新時代が開かれた。多数の知見により、プロテアーゼが多くのタンパク質の運命、局在、活性を制御し、タンパク質間相互作用を調節し、新規の生理活性分子を創出し、細胞情報の処理に寄与し、分子シグナルの生成・伝達・増幅を担うことを通じて、あらゆる生物における多様な生物学的プロセスの制御に関与することが示されている。その結果、プロテアーゼはDNAの複製および転写、細胞の増殖および分化、形態形成および組織リモデリング、熱ショック応答およびアンフォールドタンパク質応答、炎症、免疫、アポトーシス等に影響し得る。

応用

プロテアーゼの研究価値は極めて大きく、産業、医療、バイオテクノロジー分野で広く利用されている。生体におけるプロテアーゼの必須性に鑑みると、タンパク質分解系のわずかな変調が、神経変性疾患、がん、心血管疾患、炎症性疾患など多様な病態の基盤となり得る。したがって、プロテアーゼは医薬品産業において、創薬標的候補、ならびに診断・予後予測バイオマーカーとして重要な役割を担う。多様なプロテアーゼが、内在的機能に基づく用途、または完全に人工的な用途の双方で医療応用されている。プロテアーゼはまた、発生シグナルや環境変動に応答して、特定の植物タンパク質群の加工、成熟、あるいは分解にも寄与する。同様に、多くの感染性微生物は複製にプロテアーゼを必須とするか、または病原因子（ビルレンス因子）として利用しており、これがヒトの生命に密接に関連する疾患の治療（マネジメント）に向けたプロテアーゼ標的治療の開発を加速させてきた。さらにプロテアーゼは、生化学試薬として、また多数の製品製造における利用可能性から、バイオテクノロジー産業における主要な研究対象でもある。洗濯用洗剤の成分として用いられる消化プロテアーゼは、製パン産業においてパン改良剤としても広く利用されている。

生物多様性

プロテアーゼは原核生物から真核生物、さらにはウイルスに至るまで全ての生物に存在し、食物タンパク質の単純な消化から高度に制御されたカスケード反応に至るまで、多岐にわたる生理反応に関与する。機能が解明されている植物プロテアーゼは主として発生制御に関与し、光合成の調節にも役割を果たす。動物プロテアーゼは食物中タンパク質の消化を助け、代謝制御にも関与する。細菌が分泌するプロテアーゼは、タンパク質リサイクルを介して地球規模の炭素・窒素循環にとりわけ重要であり、これらの生物では栄養シグナルにより制御される傾向がある。細菌プロテアーゼはまた、外毒素または病原因子として機能し、細菌性病原性を惹起し得る。ウイルス由来プロテアーゼは高い特異性を示し、極めて限定された基質配列のみを切断する。プロテアーゼは、タンパク質のアミノ酸配列に依存して特定のペプチド結合のみを切断する限定分解を行う場合もあれば、ペプチドをアミノ酸まで完全分解する非限定分解を行う場合もある。その作用は、タンパク質機能の消失や主要構成要素への分解といった破壊的変化となり得る一方で、機能の活性化、さらにはシグナル伝達経路におけるシグナルとして働く場合もある。

参考文献