タンパク質のアセチル化

タンパク質のアセチル化 （および脱アセチル化）は、肝臓や他の臓器（脳など）の酵素によって薬物代謝として生体細胞内で起こるアセチル化反応です。医薬品では、このようなエステルが血液脳関門（および胎盤）を通過できるようにするためにアセチル化が頻繁に利用されており、そこでアセチルコリンと同様に酵素（カルボキシルエステラーゼ）によって脱アセチル化されます。アセチル化された医薬品の例には、ジアセチルモルヒネ（ヘロイン）、アセチルサリチル酸（アスピリン）、THC-O-アセテート、ジアセレインなどがあります。逆に、イソニアジドなどの薬物は、薬物代謝中に肝臓内でアセチル化されます。作用するためにこのような代謝変換に依存する薬物は、プロドラッグと呼ばれます。

アセチル化は細胞生物学においてタンパク質の重要な修飾であり、プロテオミクス研究により何千ものアセチル化された哺乳類タンパク質が特定されています。^{[1] [2] [3]}アセチル化は、ヒストン、p53、チューブリンなどのタンパク質の翻訳時および翻訳後の修飾として起こります。これらのタンパク質の中で、クロマチンタンパク質と代謝酵素が多く含まれており、アセチル化が遺伝子発現と代謝にかなりの影響を与えることを示しています。細菌では、サルモネラ・エンテリカの中心代謝に関与するタンパク質の90％がアセチル化されています。^{[4] [5]}

N末端アセチル化は、真核生物におけるタンパク質の最も一般的な共翻訳共有結合修飾の1つであり、さまざまなタンパク質の制御と機能にとって重要です。N末端アセチル化は、タンパク質の合成、安定性、局在に重要な役割を果たします。ヒトのタンパク質の約85％と酵母の68％は、Nα末端でアセチル化されています。^[6]原核生物と古細菌のいくつかのタンパク質もN末端アセチル化によって修飾されています。

N末端アセチル化は、一連の酵素複合体であるN末端アセチルトランスフェラーゼ（NAT）によって触媒されます。NATは、アセチルコエンザイムA （Ac-CoA）からアセチル基をタンパク質の最初のアミノ酸残基のαアミノ基に転移します。さまざまなNATが新生タンパク質N末端のアセチル化に関与しており、これまでのところアセチル化は不可逆であることがわかっています。^[7]

現在までに、ヒトには 7 種類の NAT (NatA、NatB、NatC、NatD、NatE、NatF、NatH) が見つかっています。これらの異なる酵素複合体はそれぞれ異なるアミノ酸またはアミノ酸配列に特異的であり、次の表に示されています。

表 1. NAT の組成と基質特異性。

NatAは、触媒サブユニットNaa10と補助サブユニットNaa15の2つのサブユニットで構成されています。NatAサブユニットは、下等真核生物よりも高等真核生物の方が複雑です。NAA10とNAA15遺伝子に加えて、哺乳類特異的遺伝子NAA11とNAA16が機能遺伝子産物を作り、異なる活性NatA複合体を形成します。これら4つのタンパク質によって、4つのhNatA触媒補助二量体が形成されます。しかし、Naa10/Naa15が最も豊富なNatAです。^[9]

NatAは、メチオニンアミノペプチダーゼによって開始メチオニンが除去された後、 Ser、Ala、Gly、Thr、Val、Cysの N末端をアセチル化する。これらのアミノ酸は真核生物のタンパク質のN末端でより頻繁に発現するため、NatAは潜在的な基質の全体に対応する主要なNATである。^[10]

NatA による N 末端アセチル化には、いくつかの異なる相互作用パートナーが関与しています。ハンチンチン相互作用タンパク質 K (HYPK) はリボソーム上で hNatA と相互作用し、NatA 基質のサブセットの N 末端アセチル化に影響を与えます。サブユニット hNaa10 と hNaa15 は、HYPK が枯渇するとハンチンチンの凝集傾向を高めます。低酸素誘導因子(HIF)-1α も hNaa10 と相互作用して、hNaa10 を介した β-カテニン転写活性の活性化を阻害することがわかっています。^[11]

NatB 複合体は、酵母とヒトの両方に見られる触媒サブユニット Naa20p と補助サブユニット Naa25p で構成されています。酵母では、すべての NatB サブユニットがリボソームに結合していますが、ヒトでは、NatB サブユニットはリボソームに結合している形式とリボソームに結合していない形式の両方で見つかります。NatB は、Met - Glu -、Met - Asp -、Met - Asn -、またはMet - Gln - N 末端で始まる基質の N 末端メチオニンをアセチル化します。

NatC 複合体は、1 つの触媒サブユニット Naa30p と 2 つの補助サブユニット Naa35p および Naa38p で構成されています。3 つのサブユニットはすべて酵母のリボソーム上に存在しますが、Nat2 などの非リボソーム NAT 形式にも存在します。NatC 複合体は、Met - Leu -、Met - Ile-、Met - Trp-、またはMet - Phe N 末端基の N 末端メチオニンをアセチル化します。

NatD は触媒ユニット Naa40p と Naa40p のみで構成されており、他の NAT とは概念的に異なります。まず、酵母とヒトでは H2A と H4 の 2 つの基質のみが特定されています。次に、Naa40p の基質特異性は最初の 30～50 残基内にあり、これは他の NAT の基質特異性よりもかなり大きいです。NatD によるヒストンのアセチル化は部分的にリボソームと関連しており、アミノ酸基質はまさに N 末端残基であるため、リジン N アセチルトランスフェラーゼ(KAT) とは異なります。^[12]

NatE複合体はサブユニットNaa50pと2つのNatAサブユニットNaa10pおよびNaa15pから構成される。Naa50p基質のN末端はNaa10pのNatA活性によってアセチル化されたものとは異なっている。^[13]植物中のNAA50は植物の成長、発達、ストレス反応を制御するために不可欠であり、NAA50の機能はヒトと植物の間で高度に保存されている。^{[14] [15] [16] [17]}

NatFはNaa60酵素から構成されるNATである。当初、NatFは酵母には存在しなかったため、高等真核生物にのみ存在すると考えられていた。^[18]しかし、後にNaa60は真核生物ドメイン全体に存在し、真菌系統では二次的に失われたことが判明した。^[19] 酵母と比較して、NatFはヒトのN末端アセチル化の豊富さに寄与している。NatF複合体は、NatCおよびNatEと部分的に重複する基質Met - Lys-、Met - Leu-、Met-Ile-、Met - Trp-およびMet - Phe N末端のN末端メチオニンをアセチル化する。^[6] NatFは細胞小器官に局在することが示されており、膜貫通タンパク質の細胞質N末端をアセチル化する。^[20] Naa60の細胞内局在は、そのユニークなC末端によって媒介され、2つのαヘリックスから構成され、膜の周辺部に結合し、PI(4)Pとの相互作用を媒介する。^[21]

NAA80/NatHはアクチンのN末端を特異的にアセチル化するN末端アセチルトランスフェラーゼである。^[22]

タンパク質のN末端アセチル化はタンパク質の安定性に影響を与える可能性がありますが、その結果とメカニズムはこれまであまり明らかではありませんでした。^[23] N末端のNαアセチル化はN末端のユビキチン化とそれに続くタンパク質分解をブロックするはずであるため、N末端アセチル化はタンパク質の分解を防ぐと考えられていました。^[24]しかし、いくつかの研究では、N末端アセチル化タンパク質は、ブロックされていないN末端を持つタンパク質と同様の分解率を持つことが示されています。^[25]

N末端のアセチル化は、タンパク質の局在を誘導できることが示されています。Arl3pは、膜輸送の組織化に重要な「Arf様」（Arl） GTPaseの1つです。 ^[26]ゴルジ膜に存在するタンパク質Sys1pとの相互作用によってゴルジ膜に標的化するには、Nαアセチル基が必要です。Arl3pのN末端のPheまたはTyrがAlaに置き換えられると、ゴルジ膜に局在できなくなります。これは、Arl3pが適切に局在するためにはアセチル化できる天然のN末端残基が必要であることを示しています。^[27]

タンパク質のN末端アセチル化は、タンパク質ノックダウン実験により、細胞周期調節やアポトーシスにも関係していることが証明されている。NatAまたはNatC複合体のノックダウンはp53依存性アポトーシスの誘導につながり、これは、タンパク質のN末端アセチル化が減少したために抗アポトーシスタンパク質の機能が低下または消失したことを示している可能性がある。^[28]しかし対照的に、 NatAによってアセチル化されたカスパーゼ2は、アダプタータンパク質RIP関連Ich-1/Ced-3相同タンパク質（デスドメイン付き）と相互作用することができる。これによりカスパーゼ2が活性化され、細胞のアポトーシスが誘導される可能性がある。^[29]

リボソームタンパク質はタンパク質合成において重要な役割を果たしており、N末端がアセチル化されることもある。リボソームタンパク質のN末端アセチル化はタンパク質合成に影響を及ぼす可能性がある。NatAおよびNatB欠失株では、タンパク質合成率がそれぞれ27%および23%低下した。NatA欠失株では翻訳忠実度の低下が見られ、NatB欠失株ではリボソームの欠陥が認められた。^[30]

NATはヒトの癌において腫瘍タンパク質と腫瘍抑制因子の両方として作用することが示唆されており、癌細胞ではNATの発現が増加または減少する可能性がある。hNaa10pの異所性発現は細胞増殖を増加させ、細胞生存増殖および代謝に関与する遺伝子の上方制御を促した。hNaa10pの過剰発現は膀胱癌、乳癌および子宮頸癌で認められた。^[31]しかし、hNaa10pの高発現は腫瘍の増殖を抑制する可能性もあり、hNaa10pの発現レベルの低下は予後不良、腫瘍の増大、およびリンパ節転移の増加と関連している。

表2. 様々な癌組織におけるNatAサブユニットの発現の概要^[32]

タンパク質は通常、リジン残基上でアセチル化されており、この反応はアセチル基供与体としてアセチルコエンザイムAに依存しています。ヒストンのアセチル化と脱アセチル化では、遺伝子制御の一環として、ヒストンタンパク質はN末端のリジン残基上でアセチル化および脱アセチル化されます。通常、これらの反応はヒストンアセチルトランスフェラーゼ（HAT）またはヒストン脱アセチル化酵素（HDAC）活性を持つ酵素によって触媒されますが、HATとHDACは非ヒストンタンパク質のアセチル化状態も変更することができます。^[33]

転写因子、エフェクタータンパク質、分子シャペロン、細胞骨格タンパク質のアセチル化と脱アセチル化による調節は、重要な翻訳後調節機構である^{[34] 。これらの調節機構は、}キナーゼとホスファターゼの作用によるリン酸化と脱リン酸化に類似している。タンパク質のアセチル化状態がその活性を変化させるだけでなく、この翻訳後修飾がリン酸化、メチル化、ユビキチン化、SUMO化などと相互作用して細胞シグナル伝達を動的に制御する可能性も最近示唆されている。^{[35]マウスのニューロンとアストログリアにおける}チューブリンタンパク質の調節は、この一例である。^{[36] [37]}チューブリンアセチルトランスフェラーゼは軸糸に位置し、組み立てられた微小管内のα-チューブリンサブユニットをアセチル化する。このアセチル化は分解されると、細胞質内の別の特定の脱アセチル化酵素によって除去されます。したがって、半減期の長い軸糸微小管は「シグネチャーアセチル化」を持ちますが、半減期の短い細胞質微小管にはこの特徴的なアセチル化は見られません。

エピジェネティクスの分野では、ヒストンのアセチル化（および脱アセチル化）が遺伝子転写の調節における重要なメカニズムであることが示されています。ただし、翻訳後アセチル化によって調節されるタンパク質はヒストンだけではありません。以下は、シグナル伝達の調節に役割を果たすさまざまな他のタンパク質の例であり、その活動もアセチル化と脱アセチル化の影響を受けます。

p53タンパク質は、細胞内のシグナル伝達、特に突然変異を防ぐことでゲノムの安定性を維持する上で重要な役割を果たす腫瘍抑制因子である。そのため、「ゲノムの守護者」としても知られている。また、細胞周期を調節し、細胞周期調節因子p21を活性化することで細胞の成長を阻止する。重度のDNA損傷下では、プログラム細胞死も開始する。p53の機能は、腫瘍タンパク質Mdm2によって負に制御される。研究によると、Mdm2はp53と複合体を形成し、特定のp53応答遺伝子への結合を妨げることが示唆されている。[ 38 ] [ ^{39 ]}

p53の活性化にはアセチル化が不可欠である。細胞がストレスを受けるとp53のアセチル化レベルが大幅に上昇することが報告されている。アセチル化部位はDNA結合ドメイン（K164とK120）とC末端に観察されている。^[40]アセチル化部位は有意な冗長性を示し、1つのアセチル化部位のみがアルギニンへの変異によって不活性化された場合でも、p21の発現が観察される。しかし、複数のアセチル化部位がブロックされると、p21の発現とp53による細胞増殖の抑制は完全に失われる。さらに、p53のアセチル化はDNA上のリプレッサーMdm2への結合を妨げる。 ^{[41]さらに、p53のアセチル化は転写非依存性の}プロアポトーシス機能に非常に重要であることが示唆されている。^[42] C末端のアセチル化部位は分子動力学シミュレーションと円二色性分光法によって調査され、アセチル化がC末端の構造集団を変化させることが示唆された。^[43]

p53の主な機能は腫瘍抑制因子であるため、p53を活性化することは癌治療の魅力的な戦略である。Nutlin -3 ^[44]はp53とMdm2の相互作用を標的として設計された小分子であり、 p53の不活性化を防いだ。^{[45]また、Nutilin-3a処理を受けた}癌細胞では、p53のC末端でlys 382のアセチル化が観察されたという報告もある。 ^{[46] [47]}

微小管の構造は、α/β-チューブリン二量体から動的に組み立てられた長い中空の円筒です。微小管は、細胞構造の維持や細胞プロセス（例えば、細胞小器官の移動）に重要な役割を果たしています。^[48]さらに、微小管は真核細胞で有糸分裂紡錘体を形成し、細胞分裂時に染色体を輸送する役割を担っています。^{[49] [50]}

α-チューブリンのアセチル化残基はK40であり、ヒトではα-チューブリンアセチルトランスフェラーゼ（α-TAT）によって触媒される。α-チューブリン上のK40のアセチル化は、安定した微小管の特徴である。α-TAT1の活性部位残基D157とC120は、α-チューブリンと相補的な形状のため、触媒作用を担っている。さらに、β4-β5ヘアピン、C末端ループ、α1-α2ループ領域などのいくつかのユニークな構造的特徴は、特定のα-チューブリン分子認識に重要である。^[51]アセチル化の逆反応は、ヒストン脱アセチル化酵素6によって触媒される。 ^[52]

微小管は細胞分裂、特に細胞周期のG2/M期に重要な役割を果たしているため、低分子阻害剤を使用して微小管機能を阻害する試みがなされており、これらは癌治療として臨床で効果的に使用されています。^[53]たとえば、ビンカアルカロイドとタキサンは選択的に微小管に結合して阻害し、細胞周期停止をもたらします。^[54] α-チューブリンアセチルトランスフェラーゼ（α-TAT）のアセチル化の結晶構造の特定は、チューブリンの安定性または脱重合を調節できる低分子の発見にも光を当てています。言い換えれば、α-TATを標的とすることで、チューブリンのアセチル化を防ぎ、チューブリンの不安定化をもたらすことができ、これはチューブリン不安定化剤と同様のメカニズムです。^[51]

シグナル伝達および転写活性化因子3（STAT3）は、受容体関連キナーゼ、例えばJanusファミリーチロシンキナーゼによってリン酸化され、核に移行する転写因子である。STAT3は、成長因子およびサイトカインに応答していくつかの遺伝子を制御し、細胞増殖において重要な役割を果たしている。したがって、STAT3は、さまざまな細胞増殖関連経路における腫瘍形成を促進する。一方、腫瘍抑制因子としても役割を果たしている。^[55]

STAT3のLys685のアセチル化はSTAT3のホモ二量体化に重要であり、これはDNA結合と癌遺伝子の転写活性化に必須である。STAT3のアセチル化はヒストンアセチルトランスフェラーゼp300によって触媒され、1型ヒストン脱アセチル化酵素によって逆転する。STAT3のリジンアセチル化は癌細胞でも上昇している。^[56]

STAT3のアセチル化は腫瘍形成活性に重要であり、癌細胞ではアセチル化STAT3のレベルが高いという事実から、化学予防および化学療法のためにアセチル化STAT3を標的とすることは有望な戦略であることが示唆されている。この戦略は、STAT3のアセチル化阻害剤であるレスベラトロールを癌細胞株に投与すると、異常なCpGアイランドのメチル化が逆転することによって裏付けられている。^[57]

• タンパク質リジンアセチル化の概要
• グリコシル化
• 脂質化
• タンパク質分解