プロテアーゼ

プロテアーゼ（ペプチダーゼ、プロテイナーゼ、タンパク質分解酵素とも呼ばれる）^[1]は、タンパク質分解を触媒し、タンパク質をより小さなポリペプチドまたは単一のアミノ酸に分解し、新しいタンパク質産物の形成を促進する酵素です。 ^{[2]プロテアーゼは、}水が結合を切断する反応である加水分解によってタンパク質内のペプチド結合を切断することでこれを行います。プロテアーゼは、摂取したタンパク質の消化、タンパク質異化（古いタンパク質の分解）^{[3] [4]}および細胞シグナル伝達など、数多くの生物学的経路に関与しています。

機能的な促進剤がなければ、タンパク質分解は非常に遅くなり、数百年かかるでしょう。^{[5]プロテアーゼはあらゆる形態の生命と}ウイルスに見られます。それらは独立して複数回進化しており、異なるクラスのプロテアーゼがまったく異なる触媒メカニズムによって同じ反応を行うことができます。

プロテアーゼは7つのグループに分類できます。^[6]

• セリンプロテアーゼ-セリン アルコールを使用する
• システインプロテアーゼ-システイン チオールを使用
• トレオニンプロテアーゼ-トレオニン 二級アルコールを使用
• アスパラギン酸プロテアーゼ-アスパラギン酸 カルボン酸を使用
• グルタミン酸プロテアーゼ-グルタミン酸 カルボン酸を使用
• メタロプロテアーゼ-金属（通常は亜鉛）を使用する^{[3] [4]}
• アスパラギンペプチドリアーゼ-アスパラギンを使用して脱離反応を実行します（水は必要ありません）

プロテアーゼは、1993年に進化関係に従って84のファミリーに初めて分類され、セリンプロテアーゼ、システインプロテアーゼ、アスパラギン酸プロテアーゼ、およびメタロプロテアーゼの4つの触媒タイプに分類されました。^[7] スレオニンプロテアーゼとグルタミン酸プロテアーゼは、それぞれ1995年と2004年まで説明されていませんでした。ペプチド結合を切断するために使用されるメカニズムは、システインとスレオニン（プロテアーゼ）または水分子（アスパラギン酸プロテアーゼ、グルタミン酸プロテアーゼ、およびメタロプロテアーゼ）を持つアミノ酸残基を求核性にして、ペプチドカルボニル基を攻撃できるようにすることです。求核剤を作成する1つの方法は、触媒トライアドによるもので、ヒスチジン残基を使用してセリン、システイン、またはスレオニンを求核剤として活性化します。しかし、これは進化論的なグループ分けではなく、求核剤の種類は異なるスーパーファミリーで収束的に進化しており、いくつかのスーパーファミリーは複数の異なる求核剤への分岐進化を示しています。メタロプロテアーゼ、アスパラギン酸プロテアーゼ、グルタミン酸プロテアーゼは、活性部位残基を利用して水分子を活性化し、それが切断可能な結合を攻撃します。^[8]

2011年に、7番目の触媒型タンパク質分解酵素であるアスパラギンペプチドリアーゼが発表されました。そのタンパク質分解機構は、加水分解ではなく脱離反応を行う点で珍しいものです。^[9]この反応中、触媒アスパラギンは環状の化学構造を形成し、適切な条件下でタンパク質中のアスパラギン残基を切断します。その根本的に異なる機構を考えると、ペプチダーゼとして含めるかどうかは議論の余地があります。^[9]

プロテアーゼの進化的スーパーファミリーの最新の分類は、MEROPSデータベースにあります。^[10]このデータベースでは、プロテアーゼは、構造、メカニズム、触媒残基の順序に基づいて、まず「クラン」（スーパーファミリー）に分類されます（例： PAクラン。ここで、Pは求核ファミリーの混合を示します）。各「クラン」内では、プロテアーゼは配列の類似性に基づいてファミリーに分類されます（例：PAクラン内のS1ファミリーとC3ファミリー）。各ファミリーには、数百の関連するプロテアーゼが含まれている場合があります（例：S1ファミリー内の トリプシン、エラスターゼ、トロンビン、ストレプトグリシン）。

現在50以上の氏族が知られており、それぞれがタンパク質分解の独立した進化的起源を示している。^[10]

あるいは、プロテアーゼは、活性を発揮する 最適なpHによって分類することもできます。

• 酸性プロテアーゼ
• 1型過敏症に関与する中性プロテアーゼ。ここでは、肥満細胞から放出され、補体とキニンの活性化を引き起こします。^[11]このグループにはカルパインが含まれます。
• 塩基性プロテアーゼ（またはアルカリ性プロテアーゼ）

プロテアーゼは、アミノ酸残基を連結するペプチド結合を切断することで、長いタンパク質鎖を短い断片に消化する働きをします。タンパク質鎖から末端アミノ酸を切り離すもの（アミノペプチダーゼ、カルボキシペプチダーゼ Aなどのエキソペプチダーゼ）もあれば、タンパク質の内部ペプチド結合を攻撃するものもあります（トリプシン、キモトリプシン、ペプシン、パパイン、エラスターゼなどのエンドペプチダーゼ）。

触媒作用は、次の 2 つのメカニズムのいずれかによって実現されます。

• アスパラギン酸、グルタミン酸、メタロプロテアーゼは水分子を活性化し、ペプチド結合に求核攻撃を行ってペプチドを加水分解します。
• セリン、スレオニン、システインプロテアーゼは、求核残基（通常は触媒三元構造）を使用する。その残基は求核攻撃を行い、プロテアーゼを基質タンパク質に共有結合させ、生成物の前半部分を放出する。この共有結合アシル酵素中間体は、活性水によって加水分解され、生成物の後半部分を放出し、遊離酵素を再生することで触媒作用を完了する。

タンパク質分解は非常に無差別的であるため、幅広いタンパク質基質が加水分解される。これはトリプシンなどの消化酵素の場合で、摂取した一連のタンパク質をより小さなペプチド断片に切断できなければならない。無差別プロテアーゼは通常、基質上の単一のアミノ酸に結合するため、その残基に対してのみ特異性を持つ。例えば、トリプシンは...K\...または...R\...（'\'=切断部位）の配列に対して特異的である。^[12]

逆に、一部のプロテアーゼは特異性が高く、特定の配列を持つ基質のみを切断します。血液凝固（トロンビンなど）やウイルスポリタンパク質処理（ TEVプロテアーゼなど）では、正確な切断イベントを達成するためにこのレベルの特異性が必要です。これは、特定の残基に結合するいくつかのポケットを備えた長い結合溝またはトンネルを持つプロテアーゼによって実現されます。たとえば、TEVプロテアーゼは、配列...ENLYFQ\S...（'\' =切断部位）に特異的です。^[13]

プロテアーゼはそれ自体がタンパク質であるため、他のプロテアーゼ分子（時には同じ種類のもの）によって切断されます。これは、プロテアーゼ活性の調節方法として機能します。一部のプロテアーゼは自己分解後に活性が低下しますが（例：TEV プロテアーゼ）、他のプロテアーゼは活性が高まります（例：トリプシノーゲン）。

プロテアーゼは、原核生物から真核生物、ウイルスまで、すべての生物に存在します。これらの酵素は、食物タンパク質の単純な消化から、高度に制御されたカスケード（血液凝固カスケード、補体系、アポトーシス経路、無脊椎動物のプロフェノールオキシダーゼ活性化カスケードなど）まで、多くの生理学的反応に関与しています。プロテアーゼは、タンパク質のアミノ酸配列に応じて、特定のペプチド結合を切断するか（限定的タンパク質分解） 、ペプチドをアミノ酸に完全に分解します（無制限のタンパク質分解）。その活性は、破壊的な変化（タンパク質の機能を無効にするか、主要成分に分解する）である場合もあれば、機能の活性化である場合もあれば、シグナル伝達経路におけるシグナルである場合もあります。

植物ゲノムには数百のプロテアーゼがコードされているが、その多くは機能が不明である。機能がわかっているものは主に発生制御に関与している。^{[14]植物プロテアーゼは}光合成の制御にも関与している。^[15]

プロテアーゼは、生物全体のさまざまな代謝プロセスに使用されています。胃に​​分泌される酸性プロテアーゼ (ペプシンなど) と十二指腸に存在するセリンプロテアーゼ(トリプシンとキモトリプシン) は、食物中のタンパク質の消化を可能にします。血清に存在するプロテアーゼ (トロンビン、プラスミン、ハーゲマン因子など) は、血液凝固、血栓の溶解、および免疫系の正しい作用に重要な役割を果たします。他のプロテアーゼは白血球に存在し (エラスターゼ、カテプシン G )、代謝制御においていくつかの異なる役割を果たします。マムシのヘビ毒などの一部のヘビ毒もプロテアーゼであり、被害者の血液凝固カスケードを妨害します。プロテアーゼは、ホルモン、抗体、その他の酵素など、重要な生理学的役割を果たす他のタンパク質の寿命を決定します。これは、生物の生理学における最も速い「スイッチオン」および「スイッチオフ」の調節メカニズムの 1 つです。

プロテアーゼは複雑な協同作用によってカスケード反応を触媒し、その結果、生理学的シグナルに対する生物の反応が迅速かつ効率的に増幅されます。

細菌はプロテアーゼを分泌してタンパク質のペプチド結合を加水分解し、タンパク質を構成アミノ酸に分解します。細菌や真菌のプロテアーゼは、タンパク質のリサイクルにおける地球規模の炭素・窒素循環に特に重要であり、このような活動はこれらの生物の栄養信号によって制御される傾向があります。^[16] 土壌に存在する何千もの種におけるプロテアーゼ活性の栄養制御の純粋な影響は、炭素、窒素、または硫黄の制限に応じてタンパク質が分解されるため、微生物群集レベルで観察できます。^[17]

細菌には、折り畳まれていないタンパク質や誤って折り畳まれたタンパク質を分解することで、一般的なタンパク質の品質管理を担うプロテアーゼ（例：AAA+プロテアソーム）が含まれています。

分泌された細菌プロテアーゼは外毒素としても作用し、細菌病原性における毒性因子の一例となる可能性があります(例:剥離毒素)。細菌外毒素プロテアーゼは細胞外構造を破壊します。

いくつかのウイルスのゲノムは1つの巨大なポリタンパク質をコードしており、これを機能的な単位に切断するにはプロテアーゼが必要です（例：C型肝炎ウイルスやピコルナウイルス）。^[18]これらのプロテアーゼ（例：TEVプロテアーゼ）は特異性が高く、非常に限られた基質配列のみを切断します。そのため、プロテアーゼ阻害剤の一般的なターゲットとなっています。^{[19] [20]}

古細菌はプロテアーゼを利用して、細胞シグナル伝達、代謝、分泌、タンパク質の品質管理など、さまざまな細胞プロセスを制御します。 ^{[21] [22]古細菌には、膜結合型LonBプロテアーゼと可溶性}20Sプロテオソーム複合体 の2種類のATP依存性プロテアーゼのみが含まれています。^[21]

プロテアーゼ研究の分野は非常に広範囲です。2004年以降、この分野に関連する論文が毎年約8000件発表されています。^[23]プロテアーゼは産業、医療、基礎生物学研究ツールとして使用されています。^{[24] [25]}

消化プロテアーゼは多くの洗濯用洗剤に含まれており、パン業界ではパン改良剤として広く使用されています。さまざまなプロテアーゼが、本来の機能（血液凝固の制御など）または完全に人工的な機能（病原性タンパク質の標的分解など）の両方のために医療に使用されています。TEVプロテアーゼやトロンビンなどの非常に特異的なプロテアーゼは、制御された方法で融合タンパク質やアフィニティタグを切断するために一般的に使用されています。ベジタリアンレンネットと呼ばれるプロテアーゼを含む植物溶液は、ヨーロッパや中東で何百年もの間、コーシャチーズやハラールチーズを作るために使用されてきました。ウィタニアコアグランス由来のベジタリアンレンネットは、インド亜大陸で消化器や糖尿病のアーユルヴェーダ治療薬として何千年もの間使用されてきました。パニールを作るのにも使用されます。

プロテアーゼの活性はプロテアーゼ阻害剤によって阻害される。^[26]プロテアーゼ阻害剤の一例はセルピンスーパーファミリーである。これには、 α1-アンチトリプシン（自身の炎症性プロテアーゼの過剰な影響から体を保護する）、α1-アンチキモトリプシン（同様の働き）、C1-インヒビター（自身の補体系の過剰なプロテアーゼ誘発性活性化から体を保護する）、アンチトロンビン（過剰な凝固から体を保護する）、プラスミノーゲン活性化因子インヒビター-1 （プロテアーゼ誘発性線溶を阻害することで不十分な凝固から体を保護する）、ニューロセルピンが含まれる。^[27]

天然プロテアーゼ阻害剤には、細胞の調節と分化に役割を果たすリポカリンタンパク質のファミリーが含まれます。リポカリンタンパク質に結合した親油性リガンドは、腫瘍プロテアーゼ阻害特性を持つことがわかっています。天然プロテアーゼ阻害剤は、抗レトロウイルス療法で使用されるプロテアーゼ阻害剤と混同しないでください。HIV /AIDS を含む一部のウイルスは、その増殖サイクルでプロテアーゼに依存しています。そのため、プロテアーゼ阻害剤は抗ウイルス治療薬 として開発されています。

その他の天然プロテアーゼ阻害剤は防御機構として使用されます。一般的な例としては、一部の植物の種子に含まれるトリプシン阻害剤が挙げられます。人間にとって最も有名なのは、主要な食用作物である大豆で、捕食動物を阻止する働きをします。生の大豆は、含まれるプロテアーゼ阻害剤が変性するまで、人間を含む多くの動物にとって 有毒です。

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• 国際タンパク質分解学会
• MEROPS - ペプチダーゼデータベース 2006-11-14 にWayback Machineでアーカイブ
• プロテアーゼ阻害剤のリスト
• プロテアーゼ切断予測子
• プロテアーゼとその特異性の一覧（[1]も参照。2011-04-30にWayback Machineでアーカイブ）
• タンパク質分解経路センターのタンパク質分解MAP
• タンパク質分解切断部位データベース - ユーザーからの専門家による注釈
• プロテアーゼ切断部位のグラフィカルインターフェース
• 切断部位、基質、タンパク質末端をカバーするTopFINDプロテアーゼデータベース
• 米国国立医学図書館医学件名標目表(MeSH)のプロテアーゼ