コラーゲン

コラーゲン（/ ˈ k ɒ l ə dʒ ə n / ）は、多くの動物の結合組織の細胞外マトリックスの主要な構造タンパク質です。哺乳類では最も豊富なタンパク質であり、タンパク質含有量の 25% ～ 35% を占めています。^{[ 1 ]}アミノ酸が結合して、コラーゲンヘリックスとして知られる細長い線維の三重らせんを形成します。 ^{[ 2 ]}コラーゲンは主に軟骨、骨、腱、靭帯、皮膚に存在します。ビタミン Cはコラーゲン合成に不可欠です。

コラーゲン組織は、石灰化の程度に応じて、硬い（骨）または柔軟な（腱）場合があり、また、硬いものから柔軟なものへと勾配を持つもの（軟骨）もあります。コラーゲンは、角膜、血管、腸、椎間板、象牙質にも豊富に存在します。^{[ 3 ]}筋肉組織では、筋内膜の主要成分として機能します。コラーゲンは筋肉組織の1～2%、骨格筋の重量の6%を占めます。^{[ 4 ]}線維芽細胞は、動物でコラーゲンを生成する最も一般的な細胞です。

コラーゲンは、食品マトリックスの増粘や風味付けに使用されるゼラチンなど、数多くの食品に使用されています。 ^{[ 5 ]}栄養補助食品やスキンケア製品として販売されていますが、皮膚の健康に有益であるという証拠はほとんどありません。医療で使用される生体材料では、コラーゲンは人工皮膚や重度の火傷や傷の治癒に役立つ特性を持っています。

コラーゲンという言葉は、ギリシャ語のκόλλα、kólla（「接着剤」を意味する）と接尾辞-gen（「生み出す」を意味する）に由来し、後にフランス語のcollagèneで使われた。^{[ 6 ] [ 7 ]}この言葉は1843年に英語で初めて使われた。^{[ 6 ]}

2011年現在、28種類のヒトコラーゲンが同定、記述され、構造に基づいて分類されている。^{[ 8 ] [ 9 ]}この多様性は、コラーゲンの多様な機能を示している。^{[ 10 ]}すべてのタイプは少なくとも1つの三重らせん構造を含んでいる。^{[ 8 ]}ヒトのコラーゲンの90%以上はI型およびIII型コラーゲンである。 ^{[ 11 ]}

• 線維状（I型、II型、III型、V型、XI型）
• 非繊維性
  • FACIT（三重らせん構造が中断された線維結合型コラーゲン）（IX型、XII型、XIV型、XVI型、XIX型、XXI型）
  • 短鎖（VIII型、X型）
  • 基底膜（IV型）
  • マルチプレキシン（複数の三重らせんドメインと中断構造）（タイプXV、XVIII）
  • MACIT（三重らせん構造が中断された膜結合型コラーゲン）（XIII型、XVII型）
  • 微細線維形成型（VI型）
  • 固定線維（VII型）

最も一般的な5つのタイプは以下のとおりです。

• タイプI：皮膚、腱、血管、臓器、骨（骨の有機部分の主要構成要素）
• タイプII：軟骨（軟骨の主要なコラーゲン成分）
• タイプIII：網状線維（網状線維の主要成分）、タイプIと併存することが多い
• タイプIV：基底膜を形成する。基底膜は上皮細胞が分泌する層である。
• タイプV：皮膚（特に毛包や汗腺の周囲）に存在し、創傷治癒や真皮と表皮の架橋に関与していることが研究で示唆されている。^{[ 12 ]}胎盤にも存在する。

コラーゲンは、細胞培養、細胞挙動の研究、細胞と細胞外環境との相互作用の研究などの実験室研究で使用されています。^{[ 24 ]}コラーゲンは、 3Dバイオプリンティングや3D組織モデルのバイオファブリケーション用のバイオインクとしても広く使用されています。

コラーゲンは三重らせん構造をしており、一般的には2本の同一の鎖（α1）と、化学組成がわずかに異なる追加の鎖（α2）から構成されています。^{[ 25 ]}コラーゲンのアミノ酸組成は、特にヒドロキシプロリン含有量が高い点で、タンパク質としては異例です。コラーゲンのアミノ酸配列で最も一般的なモチーフは、グリシン-プロリン-Xとグリシン-X-ヒドロキシプロリンであり、Xはグリシン、プロリン、またはヒドロキシプロリン以外の任意のアミノ酸です。

下の表は、魚類と哺乳類の皮膚の平均アミノ酸組成を示しています。^{[ 26 ]}

まず、主にアミノ酸のグリシンとプロリンからなる三次元鎖状構造が組み立てられます。これがコラーゲンの前駆体であるプロコラーゲンです。次に、プロコラーゲンはアミノ酸のプロリンとリジンにヒドロキシル基が付加されることで修飾されます。このステップは、後のグリコシル化とコラーゲンの三重らせん構造の形成に重要です。これらの反応を行うヒドロキシラーゼ酵素は補因子としてビタミンCを必要とするため、このビタミンの長期的な欠乏はコラーゲン合成の障害と壊血病を引き起こします。^{[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]}これらのヒドロキシル化反応は、プロリル4-ヒドロキシラーゼ^{[ 30 ]}とリジルヒドロキシラーゼという酵素によって触媒されます。この反応は、ヒドロキシル化ごとに1分子のアスコルビン酸を消費します。^{[ 31 ]}コラーゲン合成は細胞内と細胞外の両方で起こります。

コラーゲンの中で最も一般的なのは線維性コラーゲンです。もう一つの一般的な形態は網状コラーゲンで、これは濾過系の形成によく関与しています。すべてのコラーゲンは三重らせん構造ですが、ステップ2で生成されるαペプチドの構成が異なります。以下では、線維性コラーゲンの形成について説明します。

1. mRNAの転写：合成は、特定のαペプチド（通常はα1、2、または3）の形成に関連する遺伝子をオンにすることから始まります。コラーゲン形成には約45個の遺伝子が関連しており、それぞれが特定のmRNA配列をコードし、通常は「COL」という接頭辞で命名されます。これらの45個の遺伝子は、脊椎動物で記述されている28種類のコラーゲンをコードしています。^{[ 32 ] [ 8 ]}
2. プレプロペプチドの形成：生成されたmRNAは細胞核から細胞質へと移動します。そこでリボソームサブユニットと結合し、ペプチドへと翻訳されます。ペプチドは翻訳後修飾を受けるため、小胞体へと送られます。小胞体上のシグナル認識粒子がペプチドのN末端シグナル配列（配列の前半部分）を認識し、ペプチドを小胞体へと誘導します。処理された産物はプレプロペプチド、すなわちプレプロコラーゲンです。
3. プロコラーゲン形成：プレプロペプチドの3つの修飾によりアルファペプチドが形成される。
   1. N末端のシグナルペプチドが除去される。この分子は「プロペプチド」と呼ばれる。
   2. リジンとプロリンは、「プロリルヒドロキシラーゼ」と「リジルヒドロキシラーゼ」という酵素によって水酸化され、ヒドロキシプロリンとヒドロキシリジンが生成されます。これは、αペプチドの架橋を助けます。この酵素反応には、補因子としてビタミンCが必要です。壊血病では、プロリンとリジンの水酸化が欠乏するため、3つのαペプチドによって形成される三重らせん構造が緩くなります。
   3. グリコシル化は、リジンに付加されたヒドロキシル基にグルコースまたはガラクトースのモノマーを付加することによって起こるが、プロリンには付加されない。
   4. 水酸化および糖鎖修飾を受けた3つのプロペプチドが（両端を除いて）三重らせん構造を形成し、プロコラーゲンとなる。プロコラーゲンは輸送小胞に詰め込まれ、ゴルジ体へと運ばれる。
4. 修飾と分泌：ゴルジ体において、プロコラーゲンは最後の翻訳後修飾を受け、オリゴ糖（ステップ3のように単糖ではない）が付加されます。その後、分泌小胞に詰め込まれ、細胞外へ分泌されます。
5. トロポコラーゲンの形成：細胞外では、プロコラーゲンの両端のプロペプチドが、プロコラーゲンN-プロテアーゼとC-プロテアーゼという特定の酵素によって除去され、トロポコラーゲンが生成される。この段階の欠陥は、皮膚脆弱型エーラース・ダンロス症候群などのコラーゲン症を引き起こす。III型コラーゲンの場合、この処理は行われないのではなく遅延する。まずC-プロペプチドが切断され、可溶性のpN-コラーゲンIII中間体が残され、その後N-プロペプチドがプロコラーゲンN-プロテアーゼADAMTS-2によってよりゆっくりと除去される。^{[ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]}
6. コラーゲン線維の形成：銅依存性酵素であるリジルオキシダーゼがリジンおよびヒドロキシリジンに作用し、アルデヒド基を生成します。このアルデヒド基は最終的にトロポコラーゲン分子間に共有結合を形成します。このトロポコラーゲンのポリマーはコラーゲン線維と呼ばれます。

単一のコラーゲン分子であるトロポコラーゲンは、フィブリルなどのより大きなコラーゲン凝集体を構成するために使用されます。長さは約300 nm、直径は約1.5 nmで、3本のポリペプチド鎖（アルファペプチドと呼ばれる、ステップ2を参照）から構成されており、それぞれの鎖は左巻きらせん構造をしています。これは右巻きアルファらせんと混同してはいけません。これら3本の左巻きらせんは、右巻き三重らせん、または「スーパーヘリックス」と呼ばれる、多くの水素結合によって安定化された協同的な四次構造にねじれています。I型コラーゲン、そしておそらくすべての線維性コラーゲン、あるいはすべてのコラーゲンにおいて、それぞれの三重らせんは、コラーゲンミクロフィブリルと呼ばれる右巻きスーパースーパーコイルに会合します。各ミクロフィブリルは、隣接するミクロフィブリルと、個々には不安定であるように見える程度に絡み合っていますが、コラーゲンフィブリル内では、結晶のように整然としています。  

コラーゲンの特徴は、これらのコラーゲンサブユニットの3つの鎖それぞれにおけるアミノ酸の規則的な配列です。配列は、多くの場合、Gly - Pro -X または Gly-X- Hyp のパターンに従います。ここで、X は他のさまざまなアミノ酸残基のいずれかです。^{[ 26 ] [ 38 ]}プロリンまたはヒドロキシプロリンは、全配列の約 1/6 を占めます。グリシンが配列の 1/3 を占めるため、コラーゲン配列の約半分はグリシン、プロリン、またはヒドロキシプロリンではないことを意味します。この事実は、コラーゲン α ペプチドの珍しい GX ₁ X ₂特性に気を取られて見落とされがちです。コラーゲンの高グリシン含有量は、コラーゲンらせんの安定化に関して重要です。これにより、分子内のコラーゲン繊維が非常に密接に結合し、水素結合と分子間架橋の形成が促進されます。^{[ 26 ]}このような規則的な繰り返しと高グリシン含有量は、絹フィブロインなどの他の繊維状タンパク質にしか見られません。

コラーゲンは単なる構造タンパク質ではありません。細胞の表現型、細胞接着、組織制御、およびインフラストラクチャの決定において重要な役割を担っているため、プロリンに富まない領域の多くの部分が細胞またはマトリックスとの結合/制御に関与しています。プロリン環とヒドロキシプロリン環の含有量が比較的高く、それらのカルボキシル基と（二次）アミノ基が幾何学的に制約されていること、およびグリシンが豊富に存在することが、個々のポリペプチド鎖が鎖内水素結合なしに自発的に左巻きらせんを形成する傾向の原因となっています。

グリシンは側鎖を持たない最小のアミノ酸であるため、繊維状構造タンパク質において独特の役割を果たします。コラーゲンでは、三重らせん構造の形成により、この残基がらせんの内側（軸）に配置され、グリシンの単一の水素原子よりも大きな側鎖が入る余地がないため、3番目ごとにグリシンが必要となります。同じ理由で、プロリンとヒドロキシプロリンの環は外側を向いていなければなりません。これら2つのアミノ酸は三重らせん構造の安定化に役立ちます。立体電子効果により、プロリンよりもヒドロキシプロリンの方が安定化効果が高いです。^{[ 39 ]}魚類など、体温がほとんどの温血動物よりも低い動物では、これらのアミノ酸の濃度は低くて済みます。プロリンとヒドロキシプロリンの含有量が低いのは冷水魚の特徴ですが、温水魚の特徴ではありません。温水魚は哺乳類と同様のプロリンとヒドロキシプロリン含有量を持つ傾向があります。^{[ 26 ]}冷水魚やその他の変温動物のプロリンとヒドロキシプロリンの含有量が低いため、これらの動物のコラーゲンは哺乳類のコラーゲンよりも熱安定性が低くなります。^{[ 26 ]}この低い熱安定性は、魚コラーゲン由来のゼラチンが多くの食品および工業用途に適さないことを意味する。

トロポコラーゲンサブユニットは、組織の細胞外空間で、規則的にずらした末端で自発的に自己集合して、さらに大きな配列を形成します。 ^{[ 40 ] [ 41 ]}線維芽細胞は、線維形成器から完全に形成された線維を沈着させることで、線維のさらなる集合を誘導します。線維性コラーゲンでは、分子は隣接する分子と約67 nm（「D」と呼ばれる単位で、凝集体の水和状態によって変化します）ずれています。ミクロフィブリルの各D周期繰り返しには、断面に5つの分子を含む部分（「オーバーラップ」と呼ばれる）と、4つの分子のみを含む部分（「ギャップ」と呼ばれる）があります。^{[ 42 ]}これらのオーバーラップ領域とギャップ領域は、ミクロフィブリルが線維に集合する際に保持されるため、電子顕微鏡で観察できます。微細線維中の三重らせんトロポコラーゲンは、準六方最密充填パターンで配列されている。^{[ 42 ] [ 43 ]} 

トリプルヘリックス内には共有結合による架橋がいくつかあり、トロポコラーゲンヘリックス間には可変量の共有結合による架橋があり、よく組織化された凝集体（フィブリルなど）を形成している。^{[ 44 ]}より大きなフィブリル束は、いくつかの異なるクラスのタンパク質（異なるコラーゲンタイプを含む）、糖タンパク質、およびプロテオグリカンの助けを借りて形成され、同じ主要なプレーヤーの異なる組み合わせから異なるタイプの成熟組織を形成する。^{[ 41 ]}コラーゲンの不溶性は、若い動物のトロポコラーゲンはまだ完全に架橋されていないため抽出できることが判明するまで、モノマーコラーゲンの研究の障壁となっていた。しかし、顕微鏡技術（電子顕微鏡（EM）および原子間力顕微鏡（AFM））およびX線回折の進歩により、研究者はコラーゲン構造のより詳細な画像をその場で取得できるようになった。^{[ 45 ]}これらの最近の進歩は、コラーゲン構造が細胞間および細胞-マトリックス間のコミュニケーションにどのように影響するか、また組織が成長と修復においてどのように構築され、発生と疾患においてどのように変化するかをよりよく理解するために特に重要です。^{[ 46 ] [ 47 ]}例えば、AFMベースのナノインデンテーションを使用すると、単一のコラーゲン線維は軸方向に沿って不均一な材料であり、ギャップ領域とオーバーラップ領域で著しく異なる機械的特性を持ち、これら2つの領域における異なる分子構造と相関していることが示されています。^{[ 48 ]}

コラーゲン線維/凝集体は、さまざまな組織でさまざまな組み合わせと濃度で配置され、さまざまな組織特性を提供します。骨では、コラーゲン三重らせん全体が平行に千鳥状に配列されています。 トロポコラーゲンサブユニットの両端間の40 nmのギャップ（ギャップ領域とほぼ等しい）は、おそらく、ヒドロキシアパタイト（約）Ca ₁₀ (OH) ₂ (PO ₄ ) ₆である鉱物成分の長くて硬い微細結晶の沈着の核形成部位として機能します。^{[ 49 ]} I型コラーゲンは骨に引張強度を与えます。

コラーゲン関連疾患は、正常なコラーゲン産生に関わる生合成、組み立て、翻訳後修飾、分泌、その他のプロセスに影響を与える遺伝的欠陥や栄養不足によって最も一般的に引き起こされる。

上述の疾患に加えて、強皮症ではコラーゲンの過剰沈着が起こる。

20種類以上あるコラーゲンのうち12種類で1000個の変異が確認されている。これらの変異は組織レベルで様々な疾患を引き起こす可能性がある。^{[ 51 ]}

骨形成不全症– 1型コラーゲンの突然変異によって引き起こされる常染色体優性疾患で、骨が弱くなり、結合組織が不規則になります。軽症の場合もあれば、致死的な場合もあります。軽症の場合は1型コラーゲンのレベルが低下し、重症の場合はコラーゲンに構造的欠陥があります。^{[ 52 ]}

軟骨異形成症– 2型コラーゲンの突然変異が原因と考えられている骨格疾患であり、これを裏付けるためのさらなる研究が行われている。^{[ 53 ]}

エーラース・ダンロス症候群– 結合組織の変形を引き起こすこの疾患には、13種類の異なるタイプが知られています。^{[ 54 ]}まれなタイプの中には、動脈破裂を引き起こして致命的になるものもあります。各症候群は異なる突然変異によって引き起こされます。たとえば、この疾患の血管型（vEDS）は、コラーゲン3型の突然変異によって引き起こされます。^{[ 55 ]}

アルポート症候群– 遺伝的に受け継がれる可能性があり、通常はX連鎖優性遺伝ですが、常染色体優性遺伝および常染色体劣性遺伝の場合もあります。この疾患を持つ人は腎臓と目に問題があり、小児期または青年期に難聴を発症することもあります。^{[ 56 ]}

ノブロッホ症候群– コラーゲン XVIII の産生をコードするCOL18A1遺伝子の変異によって引き起こされます。患者は脳組織の突出と網膜の変性を呈します。遺伝的関連性があるため、家族にこの疾患を持つ人がいる人は、自身も発症するリスクが高くなります。^{[ 51 ]}

合成されていないコラーゲンは動物の皮から採取することができる。これは森林破壊につながり、パラグアイでは大規模なコラーゲン生産者が牛の放牧のために皆伐された地域から大量の牛皮を購入している。^{[ 57 ]}

コラーゲンは、酵素などの球状タンパク質とは機能が大きく異なる、長くて繊維状の構造タンパク質の1つです。コラーゲン繊維と呼ばれる丈夫なコラーゲンの束は、ほとんどの組織を支え、細胞に外側から構造を与える細胞外マトリックスの主要成分ですが、コラーゲンは特定の細胞の内部にも存在します。コラーゲンは引張強度が非常に高く、筋膜、軟骨、靭帯、腱、骨、皮膚の主要成分です。 ^{[ 58 ] [ 59 ]}エラスチンや軟ケラチンとともに、皮膚の強度と弾力性を担っており、その分解は加齢に伴うしわの原因となります。^{[ 13 ]}血管を強化し、組織の発達に役割を果たします。角膜や水晶体には結晶状で存在します。中生代や古生代の骨にも頻繁に化石化していることから、化石記録の中で最も豊富なタンパク質の1つである可能性がある。^{[ 60 ]}

用途

コラーゲンには幅広い用途があります。医療分野では、美容整形や火傷治療に用いられています。食品製造におけるコラーゲンの使用例としては、ソーセージのケーシングが挙げられます。

コラーゲンが加熱などの十分な変性を受けると、3本のトロポコラーゲン鎖が部分的または完全に分離して球状ドメインを形成し、通常のランダムコイル構造のコラーゲンポリプロリンII（PPII）とは異なる二次構造を持つようになる。この過程はゼラチンの形成過程であり、ゼラチンは風味付きゼラチンデザートをはじめとする多くの食品に使用されている。食品以外にも、ゼラチンは医薬品、化粧品、写真業界などで利用されている。

ギリシャ語で接着剤を意味するkollaに由来するコラーゲンという言葉は、「接着剤製造者」を意味し、馬や他の動物の皮や腱を煮て接着剤を得る初期のプロセスを指します。コラーゲン接着剤は、約4,000年前にエジプト人が使用し、約1,500年前にネイティブアメリカンが弓に使用しました。世界最古の接着剤は、炭素年代測定で8,000年以上前のものと判明しており、コラーゲンであることがわかっています。これは、ロープのかごや刺繍布の保護裏地として、道具をまとめるため、人間の頭蓋骨の交差装飾に使用されていました。^{[ 70 ]}コラーゲンは通常ゼラチンに変化しますが、乾燥した環境のため生き残りました。動物性接着剤は熱可塑性で、再加熱すると再び柔らかくなるため、修理のために分解する必要のある高級バイオリンやギターなどの楽器の製造に今でも使用されています。これは、永久的に接着する丈夫な合成プラスチック接着剤では対応できない用途です。動物の腱や皮、革などは、何千年もの間、様々な実用品の製造に利用されてきました。

ゼラチン-レゾルシノール-ホルムアルデヒド接着剤（ホルムアルデヒドを毒性の低いペンタンジアルとエタンジアルに置き換えたもの）は、ウサギの肺の実験的切開部の修復に使用されてきた。^{[ 71 ]}

コラーゲンの分子構造とパッキング構造は、数十年にわたる研究で科学者たちの謎を解き明かすことができませんでした。分子レベルで規則的な構造を持つという最初の証拠は、1930年代半ばに提示されました。^{[ 74 ] [ 75 ]}その後、研究はコラーゲンモノマーの立体構造に集中し、個々のペプチド鎖の立体構造を正しく扱ってはいるものの、いくつかの競合するモデルが生まれました。 1955年にGNラマチャンドランによって提案された三重らせん「マドラス」モデルは、コラーゲンの四次構造の正確なモデルを提供しました。^{[ 76 ] [ 77 ] [ 78 ] [ 79 ] [ 80 ]}このモデルは、20世紀後半のより高解像度のさらなる研究によって支持されました。^{[ 81 ] [ 82 ] [ 83 ] [ 84 ]}

コラーゲンのパッキング構造は、線維性コラーゲン以外のタイプでは同じ程度には定義されていませんが、六角形であることは長い間知られています。^{[ 43 ] [ 85 ] [ 86 ]}モノマー構造と同様に、コラーゲン分子のパッキング配置が「シート状」であるか、またはミクロフィブリル状であるかについて、いくつかの相反するモデルが提案されています。^{[ 87 ] [ 88 ]}腱、角膜、軟骨のコラーゲン線維のミクロフィブリル構造は、20世紀後半から21世紀初頭にかけて電子顕微鏡で直接画像化されました。 ^{[ 89 ] [ 90 ] [ 91 ]}ラット尾腱のミクロフィブリル構造は、観察された構造に最も近いものとしてモデル化されましたが、隣接するコラーゲン分子のトポロジー的進行を過度に単純化していたため、ミクロフィブリルと呼ばれる不連続なD周期五量体配置の正しいコンフォメーションを予測できませんでした。^{[ 42 ] [ 92 ] [ 93 ]}