コレラ毒素

コレラ毒素（コレラゲンとも呼ばれ、 CTX、Ctx、CTと略されることもある）は、コレラ菌によって分泌されるAB5多量体 タンパク質複合体である。^{[1] [2] CTXは、}コレラ感染症の特徴である大量の水様性下痢の原因である。 ^[3]これは、熱不安定性エンテロトキシンファミリーの一員である。

ドイツの医師で微生物学者のロベルト・コッホは、コレラ毒素の存在を初めて仮説した人物である。1886年、コッホはコレラ菌がコレラの症状を引き起こす物質を分泌すると提唱した。^[4]コッホの仮説は、1951年にウサギに加熱殺菌したコレラ菌を注射した場合の効果を研究し、記録したインドの微生物学者サンブー・ナス・デによって正しいことが証明された。 ^[5]彼はこの実験から、細菌の分解時に遊離したエンドトキシンがコレラの症状の原因であると結論付けた。^[5] 1959年、デは別の実験を行った。今回はウサギの小腸に注射したコレラ菌の無菌培養濾液を使用した。 ^[6]その結果、腸内に液体が蓄積し、毒素の存在が決定的に証明された。^[7]

完全な毒素は、Aサブユニット（部分A、酵素、P01555）の1つのコピーとBサブユニット（部分B、受容体結合、P01556 ）の5つのコピーから構成される六量体であり、AB _{5と表記される。サブユニットBは結合し、サブユニットAは}アデニル酸シクラーゼを活性化するGタンパク質を活性化する。毒素の3次元構造は、1995年にZhangらによってX線結晶構造解析を使用して決定された。 ^[8]

5つのBサブユニットはそれぞれ11kDaで、 5員環を形成しています。28kDaのAサブユニットには2つの重要なセグメントがあります。鎖のA1部分（CTA1）は、Gタンパク質をADPリボシル化する球状の酵素ペイロードであり、A2鎖（CTA2）は、Bサブユニットリングの中央の孔にぴったり収まる延長されたαヘリックスを形成します。 ^[9]

この構造は、大腸菌のいくつかの株によって分泌される熱不安定性エンテロトキシンと形状、メカニズム、配列が類似しています。

コレラ毒素は、以下のメカニズムで作用します。まず、コレラ毒素のBサブユニットリングが標的細胞の表面にあるGM1 ガングリオシドに結合します。細胞にGM1がない場合、毒素は脂質ではなくタンパク質に付​​着したルイスYやルイスXなどの他のタイプのグリカンに結合する可能性が最も高くなります。 ^{[10] [11] [12]}結合すると、毒素複合体全体が細胞に取り込まれ、ジスルフィド結合が還元されてコレラ毒素A1（CTA1）鎖が放出されます。エンドソームはゴルジ体に移動され、そこでA1タンパク質は小胞体（ER）シャペロンであるタンパク質ジスルフィドイソメラーゼによって認識されます。次に、A1鎖は折り畳まれずに膜に運ばれ、そこでEro1がタンパク質ジスルフィドイソメラーゼ複合体の酸化によってA1タンパク質の放出をトリガーします。^{[13] A1タンパク質は}Sec61チャネルによってERから細胞質に移動するにつれて、リフォールディングされ、ユビキチン化の結果としての不活性化を回避します。

CTA1はその後、 ARF6（ADPリボシル化因子6）と呼ばれるヒトパートナータンパク質と自由に結合します。Arf6への結合によりCTA1の形状が変化し、活性部位が露出して触媒活性が可能になります。 ^[14] CTA1フラグメントは、NADを使用してGsアルファサブユニット（Gαs _）タンパク質のADPリボシル化を触媒します。ADPリボシル化により、Gαs_{サブユニットはGTPをGDP + P i}に加水分解する触媒活性を失い、Gαsは活性化状態に維持されます_{。Gαs活性}化の増加はアデニル酸シクラーゼ活性の増加につながり、 3',5'-サイクリックAMP （cAMP）の細胞内濃度が通常の100倍以上に増加し、細胞質PKAが過剰に活性化されます。これらの活性PKAは、嚢胞性線維症膜コンダクタンス制御因子（CFTR）塩素イオンチャネルタンパク質をリン酸化します。これにより、 ATPを介した塩素イオンの流出が起こり、腸管腔へのH ₂ O、Na ⁺、K ⁺、HCO ₃ ⁻の分泌が促進されます。さらに、Na ^{+の流入が減少し、その結果、腸管}上皮細胞への水の流入が減少します。これらの複合効果により、腸から最大1時間あたり2リットルの急速な水分損失が発生し、重度の脱水症や、米のとぎ汁のような便など、コレラに関連するその他の要因につながります。^[15]

百日咳菌が産生する百日咳毒素（AB5タンパク質でもある_）も同様の作用を示すが、 GαiサブユニットをADPリボシル化することでcAMP産生を阻害できなくなるという点が異なる。_[ ^16]

コレラ毒素をコードする遺伝子は、水平遺伝子伝達によってコレラ菌に導入された。コレラ菌の毒性株（O1およびO139血清群）は、 CTXφバクテリオファージとして知られるウイルスの遺伝子を保持している。^{[17]統合されたCTXφゲノムには、複製（RstA）、統合（RstB）、CTXφ複製の抑制防止（RstC）、遺伝子発現の調節（RstR）の要素を含む糸状「}サテライト」ファージRS1の遺伝子の多く、およびファージのパッケージングと分泌に必要なタンパク質をコードする遺伝子（Psh、Cep、OrfU、Ace、Zot）が含まれており、これらはFf糸状大腸菌ファージの遺伝子と非常によく似ている。^[17]これらの遺伝子（および他の遺伝子）は、CTXφバクテリオファージの複製とその後の分泌を可能にし、元の宿主細菌からプロファージを切除することなく、CTXφの他の感受性細胞への水平遺伝子伝達を促進し、CTXをコードする遺伝子を残りのファージゲノムとともに伝達します。^[17]

Bサブユニットは比較的毒性が低いため、研究者は細胞生物学や分子生物学において多くの用途があることを発見しました。Bサブユニットは神経トレーサーとして日常的に使用されています。^[18]

培養されたげっ歯類の神経幹細胞をコレラ毒素で処理すると、転写因子Hes3の局在が変化し、その数が増加する。^[19]

GM1 ガングリオシドは細胞表面の脂質ラフトに存在します。蛍光タグで標識された、またはその後抗体で標的化された B サブユニット複合体は、ラフトの識別に使用できます。

現在、コレラワクチンはドゥコラルとシャンコールの2種類がある。どちらのワクチンも殺菌したコレラ菌細胞を使用するが、ドゥコラルには組み換えコレラ毒素β（rCTB）も含まれている。いくつかの研究では、rCTBを含めることで幼児（2～10歳）に対するワクチンの有効性が向上し、予防期間が長くなる可能性があることが示唆されている。ただし、rCTBを劣化から保護し保管するにはコストがかかる。^[20]

CTB サブユニットの別の用途としては、他のワクチンのワクチンアジュバントとしての使用が考えられます。CTB と抗原を組み合わせると、ワクチンの反応が改善されることが示されています。現在、CTB のアジュバントとしての可能性は大型動物モデルで示されているため、さらなる研究が必要です。これにより、CTB を多くの種類の病気に対するワクチン接種のアジュバントとして使用できるようになる可能性があります。これには、細菌やウイルスの感染、アレルギー、糖尿病が含まれます。注目すべきことに、CTB は粘膜の 体液性免疫応答を誘発することが示されているため、HIV などの粘膜ウイルスに対するワクチンが潜在的なターゲットです。^[20]

コレラ毒素はGM1ガングリオシドに優先的に結合することが明らかになっており、この特性は膜研究に利用できる。脂質ラフトはサイズや寿命が異なり、また細胞の極めて動的な構成要素の一部であるため、研究が困難である。コレラ毒素βをマーカーとして使用することで、脂質ラフトの特性と機能をより深く理解することができる。^[21]

エンドサイトーシスは、クラスリン依存性とクラスリン非依存性の2つに大別され、コレラ毒素は両方の経路を利用している。コレラ毒素は、複数の経路でエンドサイトーシスを介して細胞内に侵入することが示されている。これらの経路には、カベオラ、クラスリン被覆ピット、クラスリン非依存性キャリア（CLIC）、GPI濃縮エンドサイトーシスコンパートメント（GEEC）経路、ARF6媒介エンドサイトーシス、高速エンドフィリン媒介エンドサイトーシス（FEME）が含まれる。コレラ毒素がこれらのエンドサイトーシス経路をどのように誘発するかは完全には解明されていないが、コレラ毒素がこれらの経路を誘発するという事実は、毒素がこれらのメカニズムを調査するための重要なマーカーとして使用されていることを示しています。^[21]

コレラ毒素の最も重要な側面の1つは、毒素を細胞膜からトランスゴルジネットワークと小胞体に戻す逆行輸送メカニズムです。コレラ毒素とGM1種はどちらも蛍光タグでタグ付けできるため、逆行輸送のメカニズムを監視できます。これにより、メカニズムをリアルタイムで監視できる可能性が開かれます。これにより、細胞内輸送の仕組みや、エンドサイトーシス経路におけるタンパク質と脂質の選別がどのように機能するかについて、新たな発見が生まれるかもしれません。^[21]

• エンテロトキシン
• ガングリオシド

• De, Sambhu Nath. コレラ菌の無菌培養濾液の腸管毒性。ネイチャー。1959年5月30日。183:1533–4。
• McDowall, Jennifer (2005 年 9 月)。「コレラ毒素」。今月のタンパク質 (POTM)。ヨーロッパのタンパク質データバンク (PDBe)。2019 年 4 月 27 日時点のオリジナルからアーカイブ。
• Goodsell, David (2005 年 9 月)。「コレラ毒素」。RCSB タンパク質データバンク。今月の分子 (MOTM)。タンパク質データバンク (PDB)。doi : 10.2210/rcsb_pdb/mom_2005_9。2011 年 10 月 25 日時点のオリジナルからアーカイブ。
• 米国国立医学図書館の医学件名標目(MeSH)におけるコレラ+毒素
• PDBe-KBのUniProt : P01555 (コレラ毒素サブユニット A)のPDBで入手可能なすべての構造情報の概要。
• PDBe-KBのUniProt : P01556 (コレラ毒素サブユニット B)のPDBで入手可能なすべての構造情報の概要。