TPO

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TPO（EC 1.11.1.8、甲状腺ペルオキシダーゼ）はヒトペルオキシダーゼファミリーに属する。甲状腺ホルモン生合成を担う重要な酵素であり、自己免疫性甲状腺疾患（AITD）における主要自己抗原でもある。本酵素クラスの系統名はヨウ化物：過酸化水素オキシドレダクターゼである。一般に用いられる別名として、甲状腺ペルオキシダーゼ、ヨードチロシン脱ヨウ素酵素、ヨージナーゼ、ヨードペルオキシダーゼ（ヘム型）、ヨウ化物ペルオキシダーゼ‐チロシンヨウ素化酵素、ヨードチロシン脱ヨウ素化酵素、モノヨードチロシン脱ヨウ素化酵素、サイロペルオキシダーゼ、チロシンヨウ素化酵素がある。TPOは主として甲状腺で発現する酵素で、ヨウ化物イオンを酸化してヨウ素原子を生成する。

構造

全長TPOタンパク質は933残基からなり、分子量は107 kDaである。他のペルオキシダーゼとは異なり、主として細胞外に存在し、C末端の膜貫通ドメイン（残基872–933）を介して甲状腺濾胞細胞（thyrocyte）の頂端膜に係留される。TPOはN末端シグナルペプチド（残基1–108）を含む配列として合成され、粗面小胞体からの輸送過程で切断されて成熟TPOとなる。TPOの細胞外ドメインは主に3領域から構成される：ミエロペルオキシダーゼ（MPO）様ドメイン（残基142–738）、補体制御タンパク質（CCP）様ドメイン（残基739–795）、および上皮成長因子（EGF）様ドメイン（残基796–846）。

MPOはホモ二量体として存在し、二量体界面における保存された分子間ジスルフィド結合（Cys319）により共有結合的に連結される。MPOの全体的なフォールディングはαヘリックスが主体で、βシートは一部に限られる。各モノマーは5本のヘリックスからなる中心部と、Glu408およびAsp260に共有結合した補欠分子族ヘムを有する。CCP様ドメイン（Sushiドメインとも呼ばれる）は、一方の面に水素結合で連結された3本のβストランド、他方の面に独立した2本のβストランドが配置され、最終的にβサンドイッチ構造を形成する。EGF様ドメインは進化的に高度に保存されている。6個のシステイン残基が存在し、3本のジスルフィド結合を形成する。全体構造はβシートを主体とし、その後に短いループが続く。

図1．TPOの構造（Williams D.E. 2018）

触媒機構

TPOは甲状腺ホルモン生合成における2つの重要反応を触媒する：サイログロブリン（Tg）中のチロシン残基のヨウ素化、およびヨードチロシンのカップリングによる甲状腺ホルモンT3およびT4の生成である。この過程は、ヘム基とTPOの共有結合的結合に依存する。プロピルチオウラシル（PTU）やメチマゾール（MMI）などのチオアミド系薬剤は、甲状腺機能亢進症の治療に最も一般的に用いられる薬剤である。これらの薬剤はTPOに対する優先基質として作用し、TPOによりヨウ素化される。甲状腺では、ヨウ化物（I−）が過酸化水素存在下でTPOにより酸化され、その後Tgのチロシン残基に取り込まれる。TPOはまた、モノヨードチロシンまたはジヨードチロシン残基のカップリングを介してT3およびT4の形成を媒介する。

図2．TPOに対するメチマゾール（MMI）の作用機序（Godlewska M. 2019）

応用

TPOは甲状腺ホルモンであるトリヨードチロニン（T3）およびサイロキシン（T4）の合成を担う主要酵素である。TPOは重要な自己抗原であり、AITDにおける自己抗体（aAb）の主要な抗原標的である。AITDでは、多くの甲状腺特異的自己抗原に対する免疫寛容が破綻し、自己抗体応答の誘導が生じる。抗TPO自己抗体は、AITD患者において活動性の形で高頻度に認められる。橋本病はAITDの典型例であり、免疫応答が甲状腺に向けられることで甲状腺が完全に破壊され、甲状腺ホルモンT3およびT4の合成が低下する。甲状腺ホルモンT3およびT4はほぼ全身の臓器系に影響を及ぼし、神経系から身体所見に至るまで重篤な症状を引き起こし得る。これには高血圧、けいれん、筋変性、糖尿病などが含まれる。TPOに対する高力価自己抗体の存在は疾患の特徴所見であり、診断指標としてしばしば用いられる。

TPOの成熟過程では、N末端シグナルペプチドが切断される。TPO製剤の品質向上のため、N末端シグナルペプチドを欠失したTPO cDNAを導入し、チャイニーズハムスター卵巣（CHO）細胞株で安定発現させた。研究により、N末端シグナルペプチド欠失TPOは全長TPOと同等の機能および免疫原性を有することが示されている。同時に、研究者らは他のTPO cDNAベクターも設計し、哺乳類細胞ベースのタンパク質発現系において、生化学的特性および抗原性に優れた可溶性TPOを大量に得ることに成功している。さらに、TPO二量体を安定化させる目的でC末端にロイシンジッパー二量体化ドメインを付加し、組換えTPOはモノマー型および二量体型の両方で存在した。また、患者由来自己抗体Fabはモノマー型TPOに優先的に結合した。

参考文献

1. Williams, D.E., Le, S.N., Godlewska, M., Hoke, D.E., Buckle, A.M. Thyroid peroxidase as an autoantigen in Hashimoto’s disease: structure, function, and antigenicity. Horm Metab Res, 2018, 50(12):908-921.
2. Godlewska, M., Banga, P.J. Thyroid peroxidase as a dual active site enzyme: Focus on biosynthesis, hormonogenesis and thyroid disorders of autoimmunity and cancer. Biochimie, 2019, 160:34-45.