TPO

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TPO (EC 1.11.1.8、サイロイドペルオキシダーゼ)は、ヒトペルオキシダーゼのファミリーに属します。これは、甲状腺ホルモンの生合成に関与する重要な酵素であり、自己免疫性甲状腺疾患（AITD）の主要な自己抗原です。この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す。一般的に使用される他の名前には、サイロイドペルオキシダーゼ、ヨウドチロシン脱ヨウ素酵素、ヨウ化酵素、ヨウ化ペルオキシダーゼ（ヘム型）、ヨウ化物ペルオキシダーゼ-チロシンヨウ化酵素、ヨウドチロシン脱ヨウ素酵素、モノヨウドチロシン脱ヨウ素酵素、サイロイドペルオキシダーゼ、チロシンヨウ化酵素が含まれます。TPOは主に甲状腺で発現し、ヨウ化物イオンを酸化してヨウ素原子を形成します。

構造

全長のTPOタンパク質は933残基からなり、分子量は107 kDaです。他のペルオキシダーゼとは異なり、主に甲状腺細胞の頂端膜にC末端の膜貫通ドメイン（残基872-933）を介して固定された細胞外タンパク質です。TPOは、内因性小胞体から出る際に切断されて成熟したTPOを形成するN末端シグナルペプチド（残基1-108）を持つ配列を合成します。TPOの細胞外ドメインは主に3つの領域から構成されています：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）、および表皮成長因子（EGF）様ドメイン（残基796-846）です。

MPOは、ホモ二量体として存在し、二量体界面で保存された分子間ジスルフィド結合（Cys319）によって共有結合されています。MPOの全体的な折りたたみはαヘリックスであり、βシートの小部分を含みます。各モノマーは5つのヘリックスと、Glu408およびAsp260に共有結合された補助的なヘム基を持つ中心を持っています。CCP様ドメインは、スシドメインとしても知られ、片側に水素結合を持つ3つのβストランドと、反対側に2つの別々のβストランドを形成し、最終的にβサンドイッチ構造を形成します。EGF様ドメインは進化的に非常に保存されています。6つのシステイン残基があり、3つのジスルフィド結合を構成しています。全体の構造はβシートであり、その後に短いループがあります。

図1. TPOの構造. (Williams D.E. 2018)

触媒メカニズム

TPOは、甲状腺ホルモンの生合成において2つの重要な反応を触媒します：サイログロブリン（Tg）中のチロシン残基のヨウ素化、およびヨウドチロシンの結合による甲状腺ホルモンT3およびT4の形成です。このプロセスは、ヘム基とTPOの共有結合に依存しています。プロピルチウラシル（PTU）やメチマゾール（MMI）などのチオナミドは、甲状腺機能亢進症の治療に最も一般的に使用される薬です。これらの薬はTPOの優先基質として機能し、TPOによってヨウ素化されます。甲状腺では、ヨウ化物（I-）が過酸化水素の存在下でTPOによって酸化され、その後Tgのチロシン残基に取り込まれます。TPOはまた、モノマーまたはジヨウドチロシン残基の結合を媒介してT3およびT4を形成します。

図2. メチマゾール（MMI）がTPOに及ぼす作用のメカニズム。(Godlewska M. 2019)

応用

TPOは、甲状腺ホルモントリヨードサイロニン（T3）およびサイロキシン（T4）の合成に関与する主要な酵素です。TPOは重要な自己抗原であり、AITDにおける自己抗体（aAbs）の主要な抗原的標的です。AITDでは、多くの甲状腺特異的自己抗原の耐性と自己抗体反応の生成が破壊されます。抗TPO自己抗体は、AITD患者の活性型に一般的に存在します。橋本病はAITDの典型的な例であり、その免疫応答は甲状腺に対して向けられ、甲状腺の完全な破壊と甲状腺ホルモンT3およびT4の合成の減少を引き起こします。甲状腺ホルモンT3およびT4は、ほとんどの身体システムに影響を与え、神経系から身体的な症状まで、重篤な病気の症状を引き起こします。高血圧、発作、筋肉の変性、糖尿病などが含まれます。TPOの高い抗体価の自己抗体の存在は、病気の特徴であり、病気の診断指標としてしばしば使用されます。

TPOの成熟中に、そのN末端シグナルペプチドは切断されます。TPO調製の質を向上させるために、N末端シグナルペプチドを欠くTPO cDNAが関与し、中国ハムスター卵巣（CHO）細胞株で安定的に発現されました。研究により、N末端シグナルペプチド欠失のTPOは、全長のTPOと同じ機能と免疫原性を持つことが示されています。同時に、研究者たちは他の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システムで高い生化学的および抗原的特性を持つ大量の可溶性TPOを得ることができます。さらに、著者はC末端にロイシンジッパー二量体化ドメインを追加してTPO二量体を安定化させ、組換えTPOはモノマーおよび二量体の両方の形態で存在し、患者由来の自己抗体FabはモノマーTPOに優先的に結合します。

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.