Loading article…
ミクロシスチン-LR（MC-LR ）は、シアノバクテリアによって産生される毒素である。ミクロシスチン類の中で最も毒性が強い。
ミクロシスチンは環状ヘプタペプチドです。ミクロシスチンの構造に関与する7つのアミノ酸には、固有のアミノ酸であるADDAとD -β-メチルイソアスパラギン酸（D -β-Me-isoAsp）が含まれます。さらに、ミクロシスチンには2つの可変残基があり、これがミクロシスチンの変異体間の区別を生み出します。これらの2つの可変機能は、常に標準的なタンパク質構成アミノ酸であり、ミクロシスチン-LRではロイシンとアルギニンです。
現在までに250種類以上のミクロシスチンが同定されており、[ 1 ] 2つの可変残基の違いと他のアミノ酸のいくつかの修飾を表しています。これらの修飾には、MaspとMdhaの脱メチル化とD -Gluのメチルエステル化が含まれます。ミクロシスチンはそれぞれ異なる毒性プロファイルを持ち、ミクロシスチン-LRが最も毒性が高いことがわかっています。[ 2 ] [ 3 ]
ミクロシスチンは小さな非リボソームペプチドです。Microcystis aeruginosaでは、ミクロシスチン-LR は、55 kb のミクロシスチン遺伝子クラスター ( mcy ) によってコードされるタンパク質によって合成されます。このクラスターには、ポリケチド合成酵素活性、非リボソームペプチド合成酵素活性 ( mcyA-EおよびG )を持つタンパク質をコードする 6 つの大きな (3 kb を超える) 遺伝子と、4 つの小さな遺伝子 ( mcyFおよびHJ ) が含まれています。これらの大きなタンパク質は、それぞれ独自の酵素機能を持つ「モジュール」と呼ばれる異なるタンパク質ドメインで構成されています。[ 4 ]ミクロシスチン の生合成に関与する酵素系はすべてのシアノバクテリアで同一ではありませんが、大きな類似点があり、必須酵素のほとんどは保存されています。[ 4 ] [ 5 ]
ミクロシスチン-LRのミクロシスチス・アエルギノーサにおける生合成は、フェニル酢酸とmcyG酵素の結合から始まる。様々な酵素モジュールおよび酵素によって触媒される一連の反応を経て、ミクロシスチン-LRが形成される。ミクロシスチス・アエルギノーサにおけるミクロシスチン-LRの生合成経路全体を図に示す。
合成の最初の段階では、アセチル基とフェニル基の間に複数の炭素原子と酸素原子が挿入されます。この合成段階は、β-ケトアシルシンターゼ、アシル転移酵素、C-メチル転移酵素、ケトアシル還元酵素の活性を持つ酵素ドメインによって触媒されます。この段階の終わり、つまりグルタミン酸の最初の縮合の後、アミノ酸Addaが形成されます。[ 4 ] 合成の2番目の段階では、ミクロシスチンを構成するアミノ酸の縮合が行われます。したがって、ミクロシスチン-LRの場合、グルタミン酸、メチルデヒドロアラニン、アラニン、ロイシン、メチルアスパラギン酸、アルギニンのアミノ酸の連続的な縮合により、結合生成物が得られます。Adda残基の窒素による求核攻撃により、環状ミクロシスチン-LRが放出されます。[ 4 ]
異なるミクロシスチンはすべて、ミクロシスチン-LRと同じ酵素によって合成される。[ 6 ]
ミクロシスチン-LRは、肝細胞の細胞質におけるタンパク質ホスファターゼ1型および2A型（PP1およびPP2A）の活性を阻害します。これにより、肝細胞内のタンパク質のリン酸化が増加します。ミクロシスチン-LRとホスファターゼとの相互作用には、ミクロシスチン-LRのメチレン基と、PP1やPP2Aなどのセリン/スレオニン特異的ホスファターゼであるホスホプロテインホスファターゼ（PPP）ファミリーの触媒サブユニットのシスチン残基との間に共有結合が形成されることが含まれます。ミクロシスチン-LRがPPP酵素の触媒中心に直接結合すると、基質が活性部位にアクセスするのを完全に阻害し、酵素の阻害が起こります。このようにしてタンパク質ホスファターゼが阻害され、肝細胞内にリン酸化タンパク質がより多く残るため、これがミクロシスチン-LRの肝毒性の原因となります。
触媒的PPP酵素の活性部位は、疎水性溝、酸性溝、C末端溝の3つの表面溝からなり、これらはY字型で、活性部位は分岐点に位置します。ミクロシスチン-LRのAdda側鎖は疎水性溝に収まり、カルボキシルD-Glu部位は金属結合水分子と水素結合を形成し、Masp部位のカルボキシル基はPPP酵素内の保存されたアルギニンおよびチロシン残基と水素結合を形成します。最後に、ミクロシスチン-LRのMdha部位のメチレン基はシステイン残基のS原子と共有結合し、ロイシン残基は別の保存されたチロシン残基と密接にパッキングします。[ 2 ]
ミクロシスチン-LRは、ヒトと動物の両方にとって有毒です。疫学調査の結果、飲料水中のシアノトキシンによる中毒症状が報告されています。その影響は、短期的なものと長期的なものに分けられます。
マイクロシスチン-LRが原因であると特定された人間の死亡の検証可能な報告はないが、曝露後の健康影響の報告があり、一般的にマイクロシスチンに起因する死亡例がある。[ 7 ]最も注目すべき報告の 1 つは、 1996 年にブラジルのカルアルで発生したアウトブレイクである。116 人の患者が視覚障害、吐き気、嘔吐、筋力低下などの複数の症状を経験した。100 人が急性肝不全を発症し、52 人が現在「カルアル症候群」と呼ばれる症状を呈した。[ 8 ]この症候群は、適切に処理されていない水を用いた透析療法によって引き起こされた。 [ 9 ]
マイクロシスチン-LRへの曝露による短期的な影響はほとんどありません。マイクロシスチンは主に肝毒性化合物であるため、顕著な毒性影響はすぐには現れません。毒性研究のほとんどは、腹腔内注射を受けたマウスで行われています。最も一般的な影響は肝臓の損傷です[ 10 ]。最もよく見られる症状の2つは、胃腸炎と胆汁うっ滞性肝疾患です。
マウスを用いた実験では、致死量のミコシスチン-LRを注射してから数時間以内に動物は死亡した。20分後には肝臓の損傷が認められた。数時間以内に肝細胞は死滅した。[ 11 ]
急性ミクロシスチン-LR中毒は長期的な障害を引き起こす可能性があり、慢性的な低濃度曝露は健康への悪影響を引き起こす可能性があります。動物実験では、ミクロシスチン-LRの経口摂取により慢性肝障害が生じることが証明されています。発がん性がある可能性さえあります。動物実験では癌が確認されています。ミクロシスチン-LR自体は癌を引き起こしませんが、癌細胞の増殖を促進する可能性があります。
シアノバクテリアの大量発生が見られる飲料水の川で泳いだ家畜だけでなく、ミクロシスチン-LRはすべての動物に影響を与えた。家畜中毒の症状には下痢、嘔吐、衰弱、横臥などがあり、ほとんどの場合致命的である[ 12 ] [ 13 ]。
ミクロシスチン-LRは、人間が食用とする動物を含むすべての動物にとって有毒です。魚類や鳥類もミクロシスチン-LR中毒の危険にさらされています。
シアノバクテリアは、湖、池、貯水池、流れの緩やかな小川などの水域に生息することを好みます。水温が高いと、バクテリアが生存するのに十分な栄養分が存在します。ほとんどのシアノバクテリアは毒素を産生し、ミクロシスチンはそのうちの1つです。シアノバクテリアが死ぬと、細胞壁が分解し、毒素が水中に放出されます。ミクロシスチンは水中で非常に安定しており、加水分解や酸化などの化学的分解に耐えます。この毒素の半減期は、pH 1、40 °C で 3 週間です。しかし、環境の典型的な条件下では、半減期は 10 週間です。[ 10 ]ミクロシスチン-LR による水質汚染は、沸騰やマイクロ波処理に耐性があります。[ 14 ]
水中に放出されたミクロシスチンは、汚染された水から魚や鳥に積極的に吸収され、食物連鎖に入り込みます。人間も汚染された水中で活動することでミクロシスチンに曝露されます。[ 15 ]
ミクロシスチン-LRは血漿から急速に排泄される。分布と排泄に対応するα段階とβ段階の血漿半減期は、それぞれ0.8分と6.9分である。[ 16 ] [ 17 ]血漿からの化合物の総クリアランスは約0.9 mL/分である。化合物の排泄は主に糞便と尿を介して行われる。6日後には摂取量の約24%が体外に排泄され、そのうち約9%が糞便を介して、14.5%が尿を介して排泄される。[ 17 ]
ミクロシスチン-LRは主に肝臓に集中している。他の組織でははるかに低いレベルでしか曝露されない。[ 17 ]
ヒトにおけるミクロシスチン-LRの代謝に関するデータは非常に少ない。マウスおよびラットにおける毒素の代謝および分布に関するデータはより広く入手可能である。これらの動物では、ミクロシスチン-LRは肝臓に急速に濃縮される。[ 18 ]マウスにミクロシスチン-LRを投与すると、チトクロムP450およびチトクロムb5のレベルが低下し、CYP450が変換されるチトクロムP420のレベルが上昇した。誘導された高濃度のCYP450を有するマウスは毒素の影響を受けにくいという事実と併せて考えると、これはCYP450が化合物の解毒において重要な役割を果たしていることを示唆している。
生体内変換の第 2 段階では、この化合物はいくつかの異なる内因性物質と結合します。ミクロシスチン-LR は、グルタチオン抱合体、システイン抱合体、および酸化 ADDA ジエン抱合体として排泄されることが知られています。グルタチオンとシステインは Mda 部分と結合します。酸化 ADDA は共役結合で結合します。[ 19 ]
シアノトキシンの毒性作用は非常に多様で、神経毒性、肝毒性、化学熱傷を伴う細胞毒性などが含まれます。ミクロシスチンは一般的に肝毒性と関連付けられています。ミクロシスチンの毒性作用は、タンパク質ホスファターゼの阻害によるものです。[ 20 ]
多くの研究は腹腔内投与で行われた。異なるミクロシスチン間では親油性と極性が異なるため、腹腔内LD50が経口投与後の毒性を予測するとは考えられない。[ 10 ]
ミクロシスチンは肝毒性物質です。急性曝露後、肝細胞構造の破壊により重度の肝障害が認められます。肝内出血、血行動態ショック、心不全、そして死により肝臓の重量が増加します。[ 10 ]
マイクロシスチン-LRを鼻腔内投与すると、嗅覚領域と呼吸領域の両方の鼻粘膜上皮に壊死が認められた。経口投与後には肝臓病変も確認された。鼻腔内投与におけるLD50は腹腔内投与におけるLD50と同等であった。
ヒトの健康に対する慢性的な影響の可能性を評価するには、さまざまな用量レベルで純粋なミクロシスチンを繰り返し経口投与する研究が最も望ましい。マウスを用いた研究では、純粋なミロシスチン-LRを0、40、200、または1000μg/kg体重の用量で経口投与した。最高用量では、ほぼすべてのマウスで肝臓の変化と慢性炎症、およびその他のいくつかの症状が見られた。雌マウスでは、最高用量でトランスアミナーゼの変化のみが観察された。[ 10 ]
マウスに体重1kgあたり20μgの用量を100回経口投与したところ、肝臓に腫瘍性結節が認められた。観察された結節の直径は最大で5mmであった。しかし、体重1kgあたり80μgの用量を100回投与した場合は、肝臓に結節は認められなかった。
IARC委員会は、ミクロシスチン-LRはヒトに対して発がん性がある可能性があると結論付けました。つまり、ミクロシスチン-LR自体は発がん物質ではありませんが、腫瘍の増殖を促進します。発がん性化合物ジメチルベンザトラセンを投与されたマウスでは、皮膚腫瘍の数と重量が増加しました。[ 7 ]
ヒトに対する急性毒性についてはほとんど知られていないが、動物実験では以下の結果が示されている。
マイクロシスチンを静脈内または腹腔内に注射すると、肝臓に局在します。これは肝細胞 による取り込みの結果であると考えられます。WHOの報告によると、マイクロシスチンは、マウスに25～150μg /kg体重を腹腔内投与すると致死性があります。 [ 10 ]おそらく曝露後の吸収が不十分なため、経口投与されたマイクロシスチンは毒性が低く、マウスの致死量は約5～10μg /kg体重です。肝壊死の形での肝毒性は、静脈内投与後60分以内に発生します。[ 20 ] Microcystis aeruginosa のブルームは、最長1年間治療したマウスのグループで腫瘍率の増加を引き起こしませんでした。28 週間にわたり週4回20μg/kg体重を投与されたマウスは、肝臓の腫瘍を発症したことが示されています。 [ 20 ]しかし、これらの結果は曖昧である。経口投与では、ミクロシスチン-LRはげっ歯類に急性毒性を示す。経口投与量のかなりの量が腸管バリアを通過することは明らかである。
ミクロシスチンは発生毒性を示さないようである。
WHOは、ミクロシスチン-LRには変異原性効果はないと述べている。しかし、マウスに単回経口投与すると、リンパ球におけるDNA鎖切断の誘導が観察されている。その効果は時間および用量依存的である。4時間の曝露後、DNA損傷に対する細胞応答に関与する特定の遺伝子の発現に変化はない。24時間後には、DNA損傷応答遺伝子が上方制御されており、ミクロシスチン-LRが間接的な遺伝毒性物質であることを示している。[ 22 ] 中国では、肝臓がんの発生率が最も高いのは、表層水にシアノバクテリアが豊富な地域である。腫瘍の発生は、長期間にわたる低濃度曝露に関連している。[ 20 ]
in vitro研究では、ミクロシスチン-LRはタンパク質ホスファターゼ1（PP-1）およびPP2Aの強力な阻害剤であることが示されたが、タンパク質キナーゼCまたはサイクリックAMP依存性キナーゼには影響を与えない。ミクロシスチス由来の精製毒素には変異原性は認められないが、ヒトリンパ球に対して染色体異常を引き起こすことが示された。[ 20 ]
ロトルア湖などの細菌から分離されたメタロプロテアーゼ酵素は、ミクロシスチナーゼと呼ばれています。この特定の酵素は、ミクロシスチンを毒性が160分の1に減少した生成物に変換します。[ 23 ]
中国の将軍、諸葛亮は、約1000年前に初めてシアノバクテリア中毒を観察した。彼は、中国南部の川から緑色の水を飲んだ兵士が死亡したことを報告した。シアノバクテリア中毒の発生に関する最初の公表報告は、1878年のオーストラリアの湖の汚染に遡る。[ 24 ]また、中国とブラジルでは、湖の水を飲んだ後に人々が死亡した。これらの事件はすべて、シアノバクテリアと有毒化合物ミクロシスチン-LRに起因するとされている。これが、世界保健機関（WHO）が飲料水中のミクロシスチンに関するガイドラインを発行した理由である。飲料水中のミクロシスチンに関するWHOのガイドラインは、ミクロシスチン-LRに基づいて1μg/Lである。[ 16 ]南アフリカでは富栄養化のレベルが高いため、典型的な曝露は10μg/Lにも達する可能性がある。[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]
ウィキメディア・コモンズにあるミクロシスチンLR関連メディア