補体成分4

ヒトの補体成分 4 ( C4 ) は、複雑な補体系に関与するタンパク質で、ヒト白血球抗原( HLA ) 系に由来します。他の多数の成分とともに、免疫、寛容、自己免疫において数多くの重要な機能を果たします。さらに、抗体抗原 (Ab-Ag) 複合体によって引き起こされる全体的なシステムの認識経路を、自然免疫応答の他のエフェクタータンパク質に結び付ける重要な因子です。たとえば、機能不全の補体系の重症度は、致命的な疾患や感染症につながる可能性があります。複雑な変異は、統合失調症につながることもあります。^[1] C4タンパク質は単純な2遺伝子座対立遺伝子モデルに由来すると考えられていましたが、これはより洗練されたマルチモジュールRCCX遺伝子複合体モデルに置き換えられました。このモデルには、 C4AまたはC4B遺伝子の長い形式と短い形式が通常、コピー数変異を伴う直列RCCXカセットで含まれており、カセットの数と、疑似遺伝子または断片ではなく機能遺伝子が含まれているかどうかに応じて、場合によってはCYP21とともに集団内のそれぞれのタンパク質のレベルの変動と多少類似しています。 ^{[2] C4A-C4B遺伝子モデルは、もともとChido/Rodgers血液型システムのコンテキストで定義され、}統合失調症のリスクと発症における可能性のある役割について調査されています。

C4タンパク質に関する初期の遺伝学的研究の1つでは、ヒト血清内にChido/Rogers (Ch/Rg)血液型と呼ばれる2つの異なるグループが特定されました。O'Neillらは、2つの異なるC4遺伝子座が赤血球膜上で異なるCh/Rg抗原を発現することを実証しました。^[3]より具体的には、2つのタンパク質、ChとRgは、Ab-Ag複合体と他の補体成分との間の相互作用の媒体として一緒に機能します。^{[4]さらに、2つの遺伝子座は、染色体6の短腕にあるHLA、つまり}主要組織適合遺伝子複合体(MHC)のヒト類似体にリンクされていますが、以前は、単一の遺伝子座で2つの共優性対立遺伝子によって発現されていると考えられていました。 ^{[3] [5]}ゲル電気泳動研究では、O'Neillらは、2つの異なるC4遺伝子座が赤血球膜上で異なるCh/Rg抗原を発現することを実証しました。2つの遺伝子変異を特定しました。Fは4つの速く移動するバンドの存在（F+）または不在（f0/ f0）を示し、Sは4つの遅く移動するバンドの存在（S+）または不在（s0/ s0）を示します。^[3] 2つの遺伝子座の同質性または異質性、およびこれらのヌル（f0、s0）遺伝子の追加により、C4遺伝子座の重複/非重複が可能になります。^{[6]したがって、C4、C4F、およびC4S（後にそれぞれC4AまたはC4Bとして特定）の別々の遺伝子座を持つことは、複数の対立遺伝子型を生み出し、大きなサイズと}コピー数の変異につながる可能性があります。^[要出典]

2 人の重要な貢献者である Carroll と Porter は、ヒト C4 遺伝子のクローニング研究で、6 つのクローンすべてに同じ C4 遺伝子が含まれていることを示しました。^[7] C4 タンパク質は、分子量 (MW) がそれぞれ約 95,000、78,000、31,000 の 3 つのサブユニット (α、β、γ) で構成されており、それらはすべて鎖間ジスルフィド結合で結合しています。^{[7] [8] [9] [10]} Roos らによる研究では、C4A と C4B の α 鎖がわずかに異なることがわかり (それぞれ MW が約 96,000 と 94,000)、2 つのバリアントの間には実際に構造上の違いがあることが証明されました。^[9]さらに、彼らは、C4 活性の欠如は α 鎖間の構造上の違いに起因する可能性があることを示唆しました。^[9]それにもかかわらず、キャロルとポーターは、ゲノム配列中にイントロンとして機能する1,500 bpの領域があることを実証し、それがC4活性の副産物である既知のC4d領域であると信じていました。 ^[7]キャロルらは後に、HLAクラスIII領域に位置し、染色体上でC2および因子BにリンクされているC4遺伝子の構造と構成を特徴付ける研究を発表しました。^[11]制限マッピング、ヌクレオチド配列分析、およびC4AとC4Bのハイブリダイゼーションを含む実験を通じて、彼らは、遺伝子が実際にはかなり類似しているが、違いがあることを発見しました。^[11]たとえば、一塩基多型が検出され、C4AとC4Bの間にクラスの違いがあることが示されました。^[11]さらに、クラスと対立遺伝子の違いは、免疫複合体に対するC4タンパク質のパフォーマンスに影響します。^[11]最後に、cDNAクローン断片を重ね合わせることで、推定16キロベース（kb）の長さのC4遺伝子座が10kbの間隔で配置され、因子B遺伝子座から30kb離れていることを突き止めることができました。^{[10] [11]}

同年、関連する研究により、4つのクラスIII遺伝子（C4A、C4B、C2、因子Bを発現）が密接に関連しており、交差が起こらない染色体の98kb領域が特定されました。^[10]電気泳動で可視化したタンパク質バリアントを使用して、4つの構造遺伝子はHLA-BとHLA-Dの間に位置していました。^[10]より具体的には、遺伝子の順序が因子B、C4B、C4A、C2の順で、C2がHLA-Bに最も近いという提案された分子マップを検証しました。^[10]別の研究で、Lawらはその後さらに深く調査し、今度は人間の免疫システムで重要な役割を果たしているC4AとC4Bの両方の特性を比較しました。^[12]インキュベーション、さまざまなpHレベル、メチルアミンによる処理などの方法を通じて、彼らはC4遺伝子のさまざまな反応性を生化学的に示しました。^[12]より具体的には、C4BはC4AとC4Bの間に7kbの違いがあるにもかかわらず、はるかに効率的かつ効果的に反応することが示されています。全血清では、C4BアレルはC4Aアレルと直接比較して、溶血活性中に数倍の速度で機能しました。^[12]生化学的には、C4Aは抗体のアミノ酸側鎖やアミノ基である抗原とより安定して反応するのに対し、C4Bは炭水化物のヒドロキシル基とよりよく反応することもわかりました。^[12]したがって、さまざまな反応性を分析した結果、C4遺伝子の例外的な多型性が何らかの生物学的利点（感染時に形成されるより広範囲のAb-Ag複合体による補体活性化など）をもたらす可能性があると提唱されました。^[12]ただし、この時点では、C4AまたはC4Bのゲノムおよび派生アミノ酸配列はまだ決定されていませんでした。^[要出典]

初期の研究により、C4複合体に関する知識が大幅に広がり、遺伝子とタンパク質の構造を発見する基礎が築かれました。C. Yuは、ヒト補体成分C4A遺伝子の完全な配列を決定することに成功しました。^[4]結果、ゲノム全体に41のエクソンがあり、合計1744の残基があることがわかりました（大きなイントロン9の配列を避けたにもかかわらず）。^[4] C4タンパク質は1本の鎖の前駆体に合成され、その後、タンパク質分解によって3つの鎖に切断されます（連鎖の順序はβ-α-γです）。^[4]

β鎖は656残基から成り、エクソン1～16でコードされている。^[4] β鎖の最も顕著な特徴は、6～7キロベースに及ぶ大きなイントロンの存在である。^[4]これは、すべてのC4遺伝子の最初の遺伝子座（C4Aをコード）に存在し、2番目の遺伝子座（C4Bをコード）にはいくつかのC4遺伝子にのみ存在する。^[4] α鎖は残基661～1428から成り、エクソン16～33をコードしている。^[4]この鎖内では、エクソン23と30でマークされた2つの切断部位からC4dフラグメント（チオエステル、Ch/Rg抗原、およびアイソタイプ残基が位置する）が生成され、さらに、多型部位のほとんどがこの領域に集まっている。^[4] γ鎖は291残基から成り、エクソン33～41をコードしている。^[4]残念ながら、γ鎖に特定の機能は特定されていない。^[4]

Vaishnaw らによる研究では、C4 遺伝子の遺伝子発現の働きに関連する重要な領域と因子を特定しようとしました。^[13]彼らの研究は、Sp1 結合部位 (-59 から -49 に位置) が C4 の基礎転写を正確に開始する上で重要な役割を果たすという事実で結論付けられました。^[13]電気移動度シフトアッセイと DNase I フットプリント分析を利用すると、核因子 1、2 つの E ボックス (-98 から -93 と -78 から -73)、および Sp1 結合ドメインでの C4 プロモーターの特定の DNA タンパク質相関が実証されました。^[13]これらの発見は後に別の大規模な研究に追加され、3 番目の E ボックス部位が見つかりました。^[14]さらに、同じ研究結果から、遺伝子配列内の2つの物理的実体がヒトC4AとC4Bの発現レベルに影響を与える可能性があると仮定されています。これには、C4転写に正または負の調節的影響を及ぼす可能性のある内因性レトロウイルスの存在と、位置-1524以降のさまざまな遺伝環境（どの遺伝子モジュールコンポーネントが存在するかによって異なります）が含まれます。^[14]

より詳しい背景を説明すると、後者の研究では、以前指摘されていたバイモジュラー構造（C4A-C4B）が、1つまたは複数のRP-C4-CYP21-TNX（RCCX）モジュールを含む1〜4つの個別のセグメントのクアドリモジュラー構造に更新されています。^[2] C4AまたはC4B遺伝子のサイズは、21 kb（長い、L）または14.6 kb（短い、S）です。また、長いC4遺伝子には、イントロン9にレトロウイルスHERV-K（C4）が独自に含まれており、これにより余分な6.36 kbの転写が行われるため、遺伝子の文字列が「長い」ことになります。^{[2] [14]}このように、C4遺伝子は、遺伝子サイズ、コピー数、および多型の変動の複雑なパターンを持っています。^{[2] [14]}これらのモノ、バイ、トリ、クアドリモジュラー構造の例には、LまたはS（1つの長いまたは短いC4遺伝子を持つモノモジュラー）、LLまたはLSまたはSS（ホモ接合性またはヘテロ接合性のLまたはS遺伝子の組み合わせを持つバイモジュラー）、LLLまたはLLSまたはLSS（3つのLまたはS C4遺伝子を持つトリモジュラーRCCX）、LLLL（4つのLまたはS C4遺伝子を持つクアドリモジュラー構造）が含まれます。^[14]すべての構造グループが同じ割合で出現するわけではなく、別々の民族グループ内でもさらに違いがある可能性があります。たとえば、研究対象となったコーカサス人集団では、69%がバイモジュラー構成（C4A-C4B、C4A-C4A、またはC4B-C4B）で、31%がトリモジュラー構成（LLLとしてC4A-C4A-C4B、またはLSSとしてC4A-C4B-C4Bに均等に分割）を示しました。^[14] C4タンパク質配列多型に関しては、合計24の多型残基が見つかった。そのうち、β鎖は5つ発現し、α鎖とγ鎖はそれぞれ18と1つを生成した。これらの多型はさらに、1)特定の位置にある4つの同型残基、2)特定の位置にあるCh/Rg抗原決定基、3)C5結合部位、4)プライベートアレル残基のグループに分類できる。^[14]

さらに、同じ研究では、複数の組織でヒト補体C4転写産物の発現が確認されました。C4dプローブとRDプローブを陽性対照として用いたノーザンブロット分析の結果、肝臓に全身の転写産物の大部分が含まれていることが示されました。^[14]それでも、副腎皮質/髄質、甲状腺、腎臓では中程度の量が発現していました。^[14]

前述のように、C4（C4A と C4B の混合物）は、3 つの補体経路（古典的、代替的、レクチン）すべてに関与しています。代替経路は「自発的に」引き起こされますが、古典的経路とレクチン経路は、特定の微生物の認識に応じて誘発されます。[ ^{16] 3 つの経路はすべて、補}体タンパク質 C3 がタンパク質 C3a と C3b に切断されるステップで収束し、その結果、溶解経路と、標的病原体の膜の細孔として機能し、侵入した細胞を破壊し、最終的に溶解します。^[16]

古典的経路では、補体成分（以下、タンパク質番号の前に「C」を付けて略記）であるC1s（セリンプロテアーゼ）が経路の上流ステップによって活性化され、3つの鎖からなる天然の親タンパク質である約200キロダルトン（kDa）のC4を切断します。^{[16] : 288} C4はプロテアーゼによって2つの部分に切断され、ペプチドC4a（約9 kDaと小さく、アナフィラキシー毒性がある）と、約190 kDaのより高分子量のタンパク質C4bになります。^[17] C4が切断されると、チオエステル官能基[-SC(O)-]を持つC4bが生成されます。1980年代のC3、続いてC4に関する研究では、親C3およびC4構造内に、15原子（15員環）のチオノラクトン環というユニークなタンパク質修飾が存在することが示されました。この環は、-Cys-Gly-Glu-Glx-配列のアミノ酸システイン（Cys）のチオール側鎖を、下流の3つのアミノ酸残基に存在するグルタミン側鎖（ここではGlx）として始まった側鎖アシル基と結合する役割を果たしています（15原子のうち残りの15原子はバックボーン原子と側鎖原子です）。^{[17] [18]}切断されると、このユニークなチオノラクトン環構造が新しいC4bタンパク質の表面に露出します。^{[16] [17] [18]}微生物表面に近いため、放出されたC4bタンパク質の一部は、この反応性チオノラクトンとともに、外来微生物の細胞表面上の求核性アミノ酸側鎖およびその他の基と反応し、わずかに改変されたC4bタンパク質がC4の元のGlx残基を介して細胞表面に共有結合する。^{[16] [17] [18]}

C4b にはさらに機能がある。C4b はタンパク質 C2 と相互作用する。先に述べたのと同じプロテアーゼ C1s が C2 を 2 つの部分に切断し、C2a と C2b と呼ばれる。C2b は解放され、C2a は C4b と結合したまま残る。2 つのタンパク質の C4b-C2a 複合体は、タンパク質 C3 に対してさらにシステム関連プロテアーゼ活性を示し (切断)、その後、両方のタンパク質 (C4b と C2a) が複合体から解放される (その後、C4b は別のタンパク質 C2 に結合し、これらのステップを再度実行できる)。^[16] C4b が再生され、サイクルが形成されるため、プロテアーゼ活性を持つ C4b-C2a 複合体は C3 コンバーターゼと呼ばれている。^[16]タンパク質 4b はさらに 4c と 4d に切断される。^[19]

他の疾患（全身性エリテマトーデスなど）が関与していることが示唆されているが、C4遺伝子も統合失調症のリスクと発症に果たす役割について調査されている。Wuらの研究では、リアルタイムポリメラーゼ連鎖反応（rt-PCR）をアッセイとして利用し、C4のコピー数変異（CNV）または遺伝的多様性を測定した。^[20]したがって、これらの結果により、将来の予後、再燃、寛解の判定がより現実的になる。結果は基本的に、コピー数変異が遺伝的多様性に影響を与えるメカニズムであることを示す。前述のように、補体C4のさまざまな遺伝的多様性によって可能になるさまざまな表現型には、2つのアイソタイプ（C4AとC4B）間の広範囲の血漿または血清C4タンパク質と、独自の生理学的機能を持つ可能性のある複数のタンパク質アロタイプが含まれる。^[20] CNVは固有の遺伝的多様性の源であり、遺伝子と環境の相互作用に関与している。^[20] CNV（および関連する多型）は、量的形質の遺伝的基礎と自己免疫疾患および神経生物学的疾患に対する異なる感受性の理解に向けたギャップを埋める役割を果たしている。^[要出典]

世界中から膨大なデータが収集され、分析された結果、統合失調症は確かに染色体6番腕のMHC遺伝子座の領域と強い遺伝的関係があることが判明した。^{[21] [1]}

国際的に収集されたデータと情報は、統合失調症の謎を解明するのに役立ちます。Sekarらは、合計で約29,000件の症例に上る22か国の40コホートの一塩基多型（SNP）を分析しました^[1] 。彼らは2つの特徴を発見しました。1）端から2Mbにしか達しないSNPが多数あること、2）関連のピークがC4に集中していること、これはC4Aの発現レベルが統合失調症と最も強く相関していることを予測しています^[1]。さらに彼らは、統合失調症がヒト補体C4の遺伝的素因から発生するメカニズムを発見しました^{[1] 。図1に示すように、}ゲノムワイド関連研究（GWAS）で発見された4つの共通の構造変異は、統合失調症の発症率の高さを示しています。^[1]おそらく、C4遺伝子の変異パターンによりC4タンパク質の発現レベルが高くなり、シナプス刈り込み（ C4が関与する 補体系のエフェクタータンパク質によって生成される効果）が望ましくないほど増加する可能性がある。

• 補体成分4A
• 補体成分4B
• HLA A1-B8-DR3-DQ2ハプロタイプ
• 補体系
• 補体欠損