Loading article…
一酸化窒素合成酵素（NOS ）は、 L-アルギニンから一酸化窒素（NO）の生成を触媒する酵素ファミリーです。NOは重要な細胞シグナル伝達分子です。血管緊張、インスリン分泌、気道緊張、蠕動運動の調節に役立ち、血管新生や神経発達に関与しています。逆行性神経伝達物質として機能する可能性があります。哺乳類では、一酸化窒素はカルシウム-カルモジュリン制御アイソザイムであるeNOS（内皮型NOS）とnNOS（神経型NOS）によって媒介されます。[ 2 ]免疫応答に関与する誘導型アイソフォームであるiNOSは、生理学的に関連する濃度でカルモジュリンに結合し、NOは不対電子を持つフリーラジカルであるため、免疫防御機構としてNOを生成します。敗血症性ショックの直接の原因であり、自己免疫疾患に関与する可能性があります。
真核生物生物学の文脈では、一酸化窒素合成酵素は、一酸化窒素合成酵素（NADPH）（EC 1.14.13.39 ）を指し、次の反応を触媒します。[ 3 ]
NOSアイソフォームは、NADPHを消費してスーパーオキシドを生成するなど、他のリーク反応や副反応も触媒します。そのため、この化学量論は一般的には観察されず、NADPHによってNO分子1個あたり3個の電子が供給されることを反映しています。
真核生物のNOSアイソザイムは触媒的に自己充足的である。電子の流れはNADPH → FAD → FMN →ヘム→ O 2である。テトラヒドロビオプテリンは触媒サイクル中に追加の電子を提供し、ターンオーバー中に補充される。亜鉛は補因子ではないが、構造要素として関与している。[ 4 ] NOSは5つの補因子を使用する点で独特であり、フラビンアデニンジヌクレオチド（FAD）、フラビンモノヌクレオチド（FMN）、ヘム、テトラヒドロビオプテリン（BH 4）、カルモジュリンに結合することが知られている唯一の酵素である。
EC番号1.14.13.39は、オキシゲナーゼドメインとレダクターゼドメインが連結した合成酵素、すなわち「触媒的に自己充足的な」NO合成酵素を具体的に指しています。この種の合成酵素は真核生物に存在し、独立したドメイン獲得によってSorangium cellulosumにも存在します。ほとんどの細菌と古細菌は、オキシダーゼドメインのみを持ち、パートナータンパク質に依存するバージョンを持っています。これらはEC 1.14.14.47「一酸化窒素合成酵素（フラボドキシン）」に分類されます。これらの酵素のオキシゲナーゼドメインはすべて共通の祖先を共有しています（「オキシゲナーゼドメイン」情報ボックスを参照）。[ 5 ] [ 6 ]
アルギニン由来のNO合成は、哺乳類、魚類、鳥類、無脊椎動物、および細菌で確認されている。[ 7 ]
最もよく研究されているのは哺乳類で、そこでは3つの異なる遺伝子がNOSアイソザイムをコードしています。神経型（nNOSまたはNOS-1）、サイトカイン誘導型（iNOSまたはNOS-2）、内皮型（eNOSまたはNOS-3）です。iNOSとnNOSは可溶性で主に細胞質に存在しますが、eNOSは膜結合型です。植物でもNOシグナル伝達の証拠が見つかっていますが、植物ゲノムには他の生物界でNOを生成するスーパーファミリーの相同遺伝子がありません。[ 3 ]
一酸化窒素合成酵素は、 L-アルギニン（L -Arg）のグアニジノ窒素の5電子酸化を触媒することによりNOを生成する。L - ArgからL-シトルリンへの酸化は、2つの連続したモノオキシゲナーゼ反応を経て起こり、中間体としてNω-ヒドロキシ-L-アルギニン（NOHLA）が生成される。生成されるNO 1モルあたり、2モルのO2と1.5モルのNADPHが消費される。[ 3 ]
哺乳類では、内皮型アイソフォームは血管緊張、インスリン分泌、気道緊張の制御における主要なシグナル発生器であり、心機能の調節や血管新生（新しい血管の成長）にも関与しています。eNOSによって産生されるNOは、動脈内の血流増加によるせん断応力に反応して産生される内皮由来弛緩因子と同一の血管拡張剤であることが示されています。これにより、血管内皮の平滑筋が弛緩し、血管が拡張します。eNOSは平滑筋緊張の主要な制御因子です。NOはグアニル酸シクラーゼを活性化し、以下のメカニズムで平滑筋の弛緩を誘導します。
eNOSは、胚性心臓の発達、冠動脈および心臓弁の形態形成において重要な役割を果たしている。[ 8 ]
神経型アイソフォームは神経系の発達に関与しています。長期増強に重要な逆行性神経伝達物質として機能し、したがって記憶と学習に重要であると考えられます。nNOSには、心臓機能と蠕動運動の調節、男性と女性の性的興奮など、他の多くの生理機能があります。nNOSの選択的スプライシング型は、SRからのカルシウム放出に応答してシグナルを生成する主要な筋肉タンパク質です。心臓のnNOSは、心筋梗塞によって誘発される心臓不整脈から保護します。[ 9 ]
eNOSおよびnNOSによって産生されるNOの主要な受容体は可溶性グアニル酸シクラーゼであるが、多くの二次的な標的が同定されている。S-ニトロシル化は重要な作用機序であると考えられる。
誘導型一酸化窒素合成酵素（iNOS）は、防御機構として大量のNOを産生する。iNOSは多くの細胞種でサイトカインに応答して合成され、寄生虫、細菌感染、腫瘍増殖に対する生体の反応において重要な因子である。また、敗血症性ショックの原因にもなり、自己免疫疾患を原因とする多くの疾患にも関与している可能性がある。
NOSシグナル伝達は、脊椎動物の発生と受精に関与している。無脊椎動物では栄養成長期と生殖成長期の移行に、粘菌では胞子形成に至る分化に関与していることが示唆されている。細菌のNOSによって産生されるNOは、酸化損傷から保護する働きがある。
2021 年半ばに発表された大規模な症例対照治療研究では、大うつ病性障害の文脈において、NOS 活性が大うつ病エピソード(MDE)と相関していることも示されています。現在大うつ病エピソードを患っている 460 人の患者を 895 人の健康な患者と比較し、抗うつ薬治療の 3 ～ 6 か月前と後に L- シトルリン / L- アルギニン比を測定したところ、大うつ病エピソードの患者は健康な患者に比べて NOS 活性が有意に低いことが示され、抗うつ薬による治療は大うつ病エピソードの患者の NOS 活性レベルを有意に上昇させました。[ 10 ]
NOSファミリーの異なるメンバーは、別々の遺伝子によってコードされています。[ 11 ]哺乳類には3つの既知のアイソフォームがあり、2つは構成型（cNOS）、3つ目は誘導型（iNOS）です。[ 12 ] NOS酵素のクローニングにより、cNOSには脳構成型（NOS1）と内皮構成型（NOS3）の両方が含まれ、3つ目は誘導型（NOS2）遺伝子であることが示されています。[ 12 ]最近、NOS活性は、悪名高い病原菌である炭疽菌や黄色ブドウ球菌を含むいくつかの細菌種で実証されています。[ 13 ]
NO合成酵素の様々な形態は、以下のように分類される。
ニューロン型NOS（nNOS）は、中枢神経系と末梢神経系の両方の神経組織でNOを産生します。その機能には以下が含まれます。[ 14 ]
ニューロン型NOSは細胞間コミュニケーションにも関与しており、細胞膜と関連している。nNOSの作用はNPA（N-プロピル-L-アルギニン）によって阻害される。この酵素の形態は7-ニトロインダゾールによって特異的に阻害される。[ 15 ]
骨格筋におけるnNOSの細胞内局在は、nNOSがジストロフィンに結合することによって媒介される。nNOSには、 PDZドメインと呼ばれる追加のN末端ドメインが含まれている。[ 16 ]
nNOSをコードする遺伝子は12番染色体上に位置する。[ 17 ]
構成型NOS酵素（nNOSおよびeNOS）の重要なカルシウム依存性調節とは対照的に、iNOSはカルシウム非感受性であるとされており、これはおそらくカルモジュリン（CaM）およびCa2 +との強い非共有結合相互作用によるものと考えられる。iNOSをコードする遺伝子は17番染色体に位置する。[ 17 ]「ベースライン」iNOS発現の証拠は不明瞭であるが、誘導型NOSプロモーターのIRF1およびNF-κB依存性活性化は、炎症を介したこの転写産物の刺激を支持する。iNOSは、炎症性サイトカイン（例：インターロイキン-1、腫瘍壊死因子α、インターフェロンγ ）などの刺激を受けると、大量のNOを産生する。[ 18 ]
高出力iNOSの誘導は通常酸化環境下で起こるため、高濃度のNOはスーパーオキシドと反応してペルオキシナイトライトの生成と細胞毒性を引き起こす可能性がある。これらの特性は、宿主免疫におけるiNOSの役割を規定し、マクロファージの酸化バーストの一部として抗菌作用や抗腫瘍作用への関与を可能にする可能性がある。[ 19 ]
iNOS産生の増加による一酸化窒素の病的生成は、卵管繊毛拍動と平滑筋収縮を減少させ、胚の輸送に影響を与え、結果として異所性妊娠を引き起こす可能性があると示唆されている。[ 20 ]
内皮型一酸化窒素合成酵素（eNOS）は、一酸化窒素合成酵素3（NOS3）としても知られ、血管内でNOを生成し、血管機能の調節に関与している。eNOSをコードする遺伝子は、第7染色体上に位置する。[ 17 ]構成的Ca2 +依存性NOSは、NOの基礎放出を提供する。eNOSは、主にタンパク質カベオリン1で構成される形質膜ドメインであるカベオラとゴルジ装置に局在する。これら2つのeNOS集団は異なるが、適切なNO産生と細胞の健康には両方とも必要である。[ 21 ] eNOSの内皮膜への局在は、共翻訳的N末端ミリストイル化と翻訳後パルミトイル化によって媒介される。[ 22 ]テトラヒドロビオプテリン（BH4）は一酸化窒素合成酵素の必須補因子として、動物実験や臨床試験において内皮機能障害の治療に有益な結果を示しているが、BH4がBH2に酸化される傾向があることが問題となっている。[ 23 ]
これらの酵素はホモ二量体として存在します。真核生物では、各モノマーは2つの主要な領域から構成されています。1つはヘムチオレートタンパク質のクラスに属するN末端オキシゲナーゼドメイン、もう1つはNADPH:シトクロムP450還元酵素（EC 1.6.2.4 ）およびその他のフラボタンパク質と相同なマルチドメインC末端還元酵素です。FMN結合ドメインはフラボドキシンと相同であり、FADおよびNADPH結合部位を含む2つのドメイン断片はフラボドキシン-NADPH還元酵素と相同です。オキシゲナーゼドメインと還元酵素ドメイン間のドメイン間リンカーにはカルモジュリン結合配列が含まれています。オキシゲナーゼドメインは、ヘムとプテリンの結合部位を持つ独特な拡張βシートケージです。
NOSは、二量体、カルモジュリン依存性、またはカルモジュリン含有シトクロムp450様ヘムタンパク質であり、1つの二量体に還元酵素と酸素化酵素の触媒ドメインを組み合わせ、フラビンアデニンジヌクレオチド（FAD）とフラビンモノヌクレオチド（FMN）の両方を持ち、テトラヒドロビオプテリンの助けを借りて非芳香族アミノ酸アルギニンの5'-電子酸化を実行する。 [ 24 ]
3つのアイソフォーム（それぞれ活性化時にホモ二量体として機能すると推定される）はすべて、シトクロムP450還元酵素に相同なカルボキシル末端還元酵素ドメインを共有している。また、ヘム補欠分子族を含むアミノ末端オキシゲナーゼドメインも共有しており、このドメインはタンパク質の中央でカルモジュリン結合ドメインに連結されている。カルモジュリンの結合は、還元酵素ドメイン内のフラビン補欠分子族からヘムへの電子の流れを可能にする「分子スイッチ」として機能すると考えられる。これにより、 O₂とL-アルギニンからNOとL-シトルリンへの変換が促進される。各NOSアイソフォームのオキシゲナーゼドメインには、NOの効率的な生成に必要なBH₄補欠分子族も含まれている。他の酵素ではBH4が還元当量源として使用され、ジヒドロビオプテリン還元酵素（EC 1.5.1.33）によってリサイクルされるのに対し、 BH4は単一の電子を供与することによってヘム結合O2を活性化し、その後、その電子が再び捕捉されて一酸化窒素の放出を可能にする。
最初に同定された一酸化窒素合成酵素は神経組織に存在し（NOS1またはnNOS）、内皮型一酸化窒素合成酵素（eNOSまたはNOS3）は3番目に同定された。これらは当初「恒常的に発現する」および「Ca2 +感受性」と分類されていたが、現在では様々な細胞種に存在し、特定の生理的条件下で発現が調節されていることが分かっている。
NOS1とNOS3では、細胞内の生理的濃度のCa2 +がカルモジュリンの「ラッチドメイン」への結合を調節し、それによってフラビンからヘム部分への電子伝達が開始される。一方、誘導型でCa2 +非感受性のアイソフォーム（iNOSまたはNOS2）では、細胞内Ca2 +活性が低い場合でもカルモジュリンはしっかりと結合したままであり、本質的にはこのアイソフォームのサブユニットとして機能する。
一酸化窒素自体がNOSの発現と活性を調節する可能性がある。具体的には、NOはNOS3、ひいては血管内皮細胞の機能に対して重要な負のフィードバック調節の役割を果たすことが示されている。 [ 25 ]このプロセスは正式にはS-ニトロソ化（この分野の多くの研究者はS-ニトロシル化と呼んでいる）として知られており、血管内皮細胞におけるNOS3活性を可逆的に阻害することが示されている。このプロセスは細胞の酸化還元状態によって調節されるため重要であり、それによって「酸化ストレス」と内皮機能障害との関連性のメカニズムを提供する可能性がある。NOS3に加えて、NOS1とNOS2の両方がS-ニトロソ化されていることがわかっているが、このプロセスによるこれらのNOSアイソフォームの動的な調節の証拠はそれほど完全ではない。さらに、NOS1とNOS2の両方がヘム補欠分子族に鉄-ニトロシル複合体を形成することが示されており、特定の条件下でこれらの酵素を部分的に自己不活性化する可能性がある。一酸化窒素生成の律速段階は、細胞の種類によってはL-アルギニンの供給量である可能性が高い。これは、NOS2の誘導後には特に重要となるかもしれない。
ロノプテリン（VAS-203）、別名4-アミノテトラヒドロビオプテリン（4-ABH 4）は、BH 4 （NOSの補因子）のアナログであり、外傷性脳損傷の治療のための神経保護剤として開発中のNOS阻害剤です。臨床使用の可能性について研究されている、または研究されている他のNOS阻害剤には、シンデュニスタット、A-84643、ONO-1714、L-NOARG、NCX-456、VAS-2381、GW-273629、NXN-462、CKD-712、KD-7040、グアニジノエチルジスルフィド、TFPIなどがある。
NOSは多くの真核生物群（後生動物、真菌、藻類、植物）に見られ、そのほとんどは哺乳類のNOSと融合したオキシゲナーゼ-CAM-フラビン-FNR構造を共有している。[ 26 ]しかし、構造に重要な変化が生じることもある。例えば、藻類のNOSの多くはC末端にグロビンドメインを持ち、これが追加の機能をもたらす可能性がある。[ 27 ]
細菌性NOS（bNOS）は、細菌を酸化ストレス、様々な抗生物質、および宿主の免疫応答から保護することが示されている。bNOSはスーパーオキシドジスムターゼ（SodA）の転写において重要な役割を果たす。対数増殖期後期のbNOSを持たない細菌はSodAの発現を促進できず、有害な酸化ストレスに対する防御が無効になる。当初、bNOSは細胞をストレス条件下に備えるために存在していた可能性があるが、現在では従来の抗菌剤から細菌を保護するのに役立っているようだ。臨床応用として、グラム陽性菌の負荷を減少させるためにbNOS阻害剤を生産することができる。[ 28 ] [ 29 ]
古細菌においても同様の機能を持つようだ。[ 30 ]
これらはグラム陰性菌を含む幅広い種類の細菌に存在します（前述のSorangium cellulosumはグラム陰性菌です）。融合型[Fe-S] NOSは細菌の間では決して珍しいものではなく、シアノバクテリアとプロテオバクテリア全体で見られます。[ 26 ]
