プロテインA

プロテインAは、もともと黄色ブドウ球菌の細胞壁で発見された42 kDaの表面タンパク質です。spa遺伝子によってコードされ、その調節はDNAトポロジー、細胞浸透圧、およびArlS-ArlRと呼ばれる2成分系によって制御されています。免疫グロブリンに結合する能力があるため、生化学研究で利用されています。5つの相同なIg結合ドメインから構成され、3つのらせん束に折り畳まれています。各ドメインは、多くの哺乳類種のタンパク質、特にIgGに結合することができます。ほとんどの免疫グロブリンのFc領域内の重鎖に結合し、ヒトVH3ファミリーの場合はFab領域にも結合します。IgG分子が（通常の抗体機能に対して）間違った向きで結合する血清中でのこれらの相互作用を通じて、細菌はオプソニン化と貪食を阻害します。^{[ 3 ]}

ヴェルウェイは、型特異的ブドウ球菌抗原の研究の副産物として、1940年に、これらの細菌の抽出物から調製したタンパク質画分が、異なるブドウ球菌型に対して作製されたウサギ抗血清を非特異的に沈殿させることを報告した。^{[ 4 ]} 1958年、イェンセンはヴェルウェイの発見を確認し、ウサギの免疫前血清と正常なヒト血清がブドウ球菌抽出物中の活性成分に結合することを示した。彼はこの成分を抗原Aと命名した（抽出物の画分Aに見つかったため）が、多糖類だと考えた。^{[ 5 ]}タンパク質の誤分類は、不完全な試験の結果であったが、^{[ 6 ]}その後間もなく（1962年）、ロフクヴィストとショークイストが誤りを訂正し、抗原Aは実際には黄色ブドウ球菌の特定の株の細菌壁の表面タンパク質であることを確認した。^{[ 7 ]}ノルウェーのベルゲン研究グループは、イェンセンによって分離された抗原画分にちなんで、このタンパク質を「タンパク質A」と名付けた。^{[ 8 ]}

結晶学的精密化により、プロテインAの主要な結合部位はFc領域、C _H 2ドメインとC _H 3ドメインの間にあることが示されている。^{[ 9 ]}さらに、プロテインAはヒトVH3遺伝子ファミリーのIgG F(ab')2フラグメントを含むヒトIgG分子に結合することが示されている。^{[ 10 ]}

プロテインAは、以下の表に示すように、特定の種の免疫グロブリンのFc部分に強い親和性で結合することができる。^{[ 11 ]}

プロテインAに加えて、プロテインG、プロテインA/G、プロテインLなどの他の免疫グロブリン結合性細菌タンパク質も、免疫グロブリンの精製、固定化、または検出に一般的に使用されている。

病原体である黄色ブドウ球菌は、生存と病原性を高めるために、タンパク質Aをはじめとする多くのタンパク質や表面因子を利用している。この目的のために、タンパク質Aは多面的な役割を果たしている。

1. プロテインAは抗体のFc部分に結合することで、オプソニンが抗体にアクセスできなくなるようにし、免疫細胞による細菌の貪食作用を阻害する。
2. プロテインAは、黄色ブドウ球菌がヒトのフォン・ヴィルブランド因子（vWF）でコーティングされた表面に付着するのを促進し、それによって皮膚侵入部位における細菌の感染力を高める。
3. プロテインAは、腫瘍壊死因子1 （TNFR-1）受容体に結合することで肺組織に炎症を引き起こす。この相互作用は、ブドウ球菌性肺炎の発症機序において重要な役割を果たすことが示されている。
4. プロテインAは体液性免疫（抗体介在性免疫）を弱体化させることが示されており、その結果、人々は強力な抗体反応を起こすことができないため、黄色ブドウ球菌に繰り返し感染する可能性がある。
5. プロテインAは、細菌の細胞壁に共有結合している場合と溶液中の両方でバイオフィルムの形成を促進することが示されている。 ^{[ 12 ]}

プロテインAは貪食作用を阻害し、免疫学的偽装として機能します。黄色ブドウ球菌のさまざまな株におけるプロテインAの高レベルは、この細菌の鼻腔保菌と関連付けられています。^{[ 13 ]}

タンパク質Aを欠損した黄色ブドウ球菌の変異株は、試験管内でより効率的に貪食され、感染モデルにおける変異株は病原性が低下している。^{[ 14 ]}

プロテインAは、免疫学、生物学的研究、および産業用途（下記参照）で使用するために、工業発酵で生産および精製されます。天然（またはネイティブ）プロテインAは黄色ブドウ球菌で培養でき、上記の5つの相同抗体結合領域と細胞壁への付着のためのC末端領域を含んでいます。今日では、プロテインAは、大腸菌で組換え生産されることがより一般的です。（Brevibacillusも効果的な宿主であることが示されています。^{[ 15 ]}）組換えプロテインAも5つの相同抗体結合ドメインを含みますが、多孔質基質への結合を容易にするために構造の他の部分で異なる場合があります。^{[ 16 ]}タンパク質のエンジニアリングバージョンも利用可能であり、その最初のものはrProtein A、B4、C-CYSでした。^{[ 17 ]}エンジニアリングバージョンは、産業用途での使用性を向上させるために変更された単一ドメインのマルチマー（通常はテトラマー、ペンタマー、またはヘキサマー）です。

プロテインAは、抗体結合部位に影響を与えることなく、蛍光色素、酵素、ビオチン、コロイド金、放射性ヨウ素などの他の分子と結合されることが多い。例としては、免疫金標識に使用されるプロテインA-金（PAG）染色、免疫蛍光用の蛍光色素結合プロテインA、DNA-PAINTイメージング用のDNAドッキング鎖結合プロテインAなどがある。^{[ 18 ]}また、磁気ビーズ、ラテックスビーズ、アガロースビーズと結合して広く利用されている。

プロテインAは、固体支持体に固定化され、血清や腹水などの粗タンパク質混合物から総IgGを精製するための信頼できる方法として、または上記のマーカーのいずれかと結合させて抗体の存在を検出するために使用されることが多い。IgG精製のためにプロテインAを多孔質ビーズに結合させた最初の例は1972年に発表された。^{[ 19 ]}ビーズに結合させたプロテインAを用いた免疫沈降研究は、目的のタンパク質またはタンパク質複合体に対する抗体を介して間接的にタンパク質またはタンパク質複合体を精製するためにも一般的に使用されている。

市販のプロテイン A クロマトグラフィー樹脂に関する文献の最初の言及は 1976 年に現れた。^{[ 20 ]}今日では、多孔質基材に固定化されたプロテイン A を使用したクロマトグラフィー分離は、収穫細胞培養上清からモノクローナル抗体(mAb) を精製するための最も広く確立された方法である。 ^{[ 21 ]}プロテイン A が好ましい方法として選択されたのは、高純度と高収率が容易かつ確実に達成されるためである。これは、製造操作を簡素化し、精製プロセスの開発に必要な時間と労力を削減する一般的な抗体精製「プラットフォーム」の基礎を形成する。^{[ 22 ]}典型的な mAb 精製プロセスが右に示されている。抗体の製造にプロテイン A クロマトグラフィーが長い歴史を持つにもかかわらず、このプロセスは今日でも改良され続けている。連続クロマトグラフィー、より正確には周期的な向流クロマトグラフィーは、精製ステップの生産性を大幅に向上させる。