タンパク質分解

タンパク質分解は、タンパク質をより小さなポリペプチドまたはアミノ酸に分解する反応です。触媒がない場合、ペプチド結合の加水分解は非常に遅く、数百年かかります。タンパク質分解は、通常、プロテアーゼと呼ばれる細胞酵素によって触媒されますが、分子内消化によって起こることもあります。

生物におけるタンパク質分解は多くの目的を果たします。たとえば、消化酵素は食物中のタンパク質を分解して生物にアミノ酸を提供しますが、ポリペプチド鎖の合成後のタンパク質分解処理は活性タンパク質の生成に必要となる場合があります。また、アポトーシスを含むいくつかの生理学的および細胞的プロセスの調節、および細胞内の不要なタンパク質や誤って折り畳まれたタンパク質の蓄積の防止にも重要です。その結果、タンパク質分解の調節の異常は病気を引き起こす可能性があります。

タンパク質分解は、実験室でタンパク質を研究するための分析ツールとしても使用でき、また、食品加工や汚れ除去などの産業でも使用できます。

多くのタンパク質では、タンパク質合成の翻訳中または翻訳後にポリペプチドの限定的なタンパク質分解が頻繁に発生します。これには、 N末端メチオニン、シグナルペプチドの除去、および/または不活性または非機能的タンパク質の活性タンパク質への変換が含まれます。最終的な機能的形態のタンパク質の前駆体はプロタンパク質と呼ばれ、これらのプロタンパク質は最初にプレプロタンパク質として合成される場合があります。たとえば、アルブミンは最初にプレプロアルブミンとして合成され、切断されていないシグナルペプチドを含みます。シグナルペプチドが切断された後にプロアルブミンが形成され、N末端の6残基プロペプチドを除去するためのさらなる処理により、タンパク質の成熟形態が得られます。^[1]

開始メチオニン（および細菌ではfMet）は、新生タンパク質の翻訳中に除去される可能性がある。大腸菌の場合、2番目の残基が小さく電荷を帯びていない場合、fMetは効率的に除去されるが、2番目の残基がかさばり電荷を帯びている場合は除去されない。^[2]原核生物と真核生物の両方で、露出したN末端残基は、 N末端ルールに従ってタンパク質の半減期を決定する可能性がある。

特定の細胞小器官に標的とされるタンパク質や分泌されるタンパク質には、タンパク質を最終目的地に導く N 末端シグナル ペプチドがあります。このシグナル ペプチドは、膜を通過して輸送された後、タンパク質分解によって除去されます。

一部のタンパク質とほとんどの真核生物ポリペプチドホルモンは、ポリプロテインと呼ばれる大きな前駆体ポリペプチドとして合成されます。ポリプロテインには、個々の小さなポリペプチド鎖へのタンパク質分解による切断が必要です。ポリプロテインプロオピオメラノコルチン(POMC) には、多くのポリペプチドホルモンが含まれています。ただし、POMC の切断パターンは組織によって異なる場合があり、同じポリプロテインから異なるポリペプチドホルモンのセットが生成されます。

多くのウイルスも、最初はポリシストロニックmRNAから翻訳された単一のポリペプチド鎖としてタンパク質を生成します。このポリペプチドはその後、個々のポリペプチド鎖に切断されます。^[1]ポリタンパク質の一般的な名前には、レトロウイルスのgag（グループ特異的抗原）、ニドウイルス目のORF1abなどがあります。後者の名前は、ポリペプチドをコードするmRNAの滑りやすい配列がリボソームフレームシフトを引き起こし、ほぼ一定の比率で 2つの異なる長さのペプチド鎖（aとab ）をもたらすという事実を指します。

多くのタンパク質やホルモンは、前駆体であるチモーゲン、プロ酵素、プレホルモンの形で合成されます。これらのタンパク質は切断されて、最終的な活性構造を形成します。たとえば、インスリンはプレプロインスリンとして合成され、シグナルペプチドが切断されるとプロインスリンが生成されます。次に、プロインスリンは2つの位置で切断され、2つのジスルフィド結合でつながれた2つのポリペプチド鎖が生成されます。次に、B鎖から2つのC末端残基を除去すると、成熟したインスリンが生成されます。タンパク質の折り畳みは、インスリンの天然構造に見られる最終的なペプチド間ジスルフィド結合と最終的なペプチド内ジスルフィド結合の形成を促進する単鎖プロインスリンの形で発生します。

特にプロテアーゼは不活性型で合成されるため、細胞内に安全に保存され、必要なときに十分な量を放出できます。これは、プロテアーゼが適切な場所または状況でのみ活性化されるようにするためです。これらのプロテアーゼが不適切に活性化されると、生物にとって非常に破壊的になる可能性があるためです。酵素原のタンパク質分解により活性タンパク質が生成されます。たとえば、トリプシノーゲンが切断されてトリプシンが形成されると、タンパク質構造のわずかな再配置が起こり、プロテアーゼの活性部位が完成し、タンパク質が活性化されます。

したがって、タンパク質分解は、不活性なタンパク質を活性なタンパク質に変換することで、生物学的プロセスを制御する方法である可能性があります。良い例は、血液凝固カスケードです。血液凝固カスケードでは、最初のイベントが多数の特定のプロテアーゼの連続的なタンパク質分解活性化のカスケードを引き起こし、血液凝固を引き起こします。免疫応答の補体系も、侵入する病原体への攻撃をもたらす複雑な連続的なタンパク質分解活性化と相互作用を伴います。

タンパク質の分解は細胞内または細胞外で起こる。食物の消化では、消化酵素が細胞外消化のために環境に放出され、タンパク質分解によりタンパク質がより小さなペプチドやアミノ酸に分解され、吸収され利用できるようになる。動物では、食物は特殊な器官や腸で細胞外に処理されるが、多くの細菌では食物は貪食によって体内に取り込まれる。環境中の微生物によるタンパク質の分解は、栄養素の利用可能性によって制御される。例えば、タンパク質の主要元素（炭素、窒素、硫黄）の制限は、真菌のNeurospora crassa ^[3]や土壌生物群集のタンパク質分解活性を誘発する。^[4]

細胞内のタンパク質はアミノ酸に分解されます。この細胞内タンパク質分解には、損傷した異常なタンパク質を除去し、それらの蓄積を防ぐという複数の機能があります。また、不要になった酵素や調節タンパク質を除去することで、細胞プロセスを制御する役割も果たします。アミノ酸はその後、タンパク質合成に再利用されます。

細胞内タンパク質分解は、リソソームでのタンパク質分解、または不要なタンパク質をプロテアソームに誘導するユビキチン依存性プロセスの 2 つの方法で行われます。オートファジー- リソソーム経路は通常は非選択的なプロセスですが、飢餓時には選択的になり、ペプチド配列 KFERQ または類似のタンパク質が選択的に分解されます。リソソームには、カテプシンなどのプロテアーゼが多数含まれています。

ユビキチン媒介プロセスは選択的です。分解対象としてマークされたタンパク質は、ユビキチンに共有結合します。分解されるタンパク質には、多数のユビキチン分子が連続して結合している場合があります。ポリユビキチン化されたタンパク質は、ATP 依存性プロテアーゼ複合体であるプロテアソームに標的化されます。標的タンパク質が分解される間、ユビキチンは放出されて再利用されます。

タンパク質はそれぞれ異なる速度で分解されます。異常なタンパク質は急速に分解されますが、正常なタンパク質の分解速度は機能によって大きく異なります。重要な代謝制御点にある酵素は、あらゆる生理学的条件下で活性がほぼ一定である酵素よりもはるかに速く分解される可能性があります。最も急速に分解されるタンパク質の1つはオルニチン脱炭酸酵素で、半減期は11分です。対照的に、アクチンやミオシンなどの他のタンパク質の半減期は1か月以上ですが、本質的にはヘモグロビンは赤血球の寿命全体にわたって持続します。^[5]

N末端ルールはタンパク質の半減期を部分的に決定する可能性があり、プロリン、グルタミン酸、セリン、スレオニンを多く含むセグメントを持つタンパク質（いわゆるPESTタンパク質）は半減期が短い。^{[6]分解速度に影響を与えると考えられる他の要因には、グルタミンと}アスパラギンの脱アミノ化速度とシステイン、ヒスチジン、メチオニンの酸化、安定化リガンドの欠如、結合した炭水化物またはリン酸基の存在、遊離α-アミノ基の存在、タンパク質の負電荷、タンパク質の柔軟性と安定性などがある。^[5]内因性無秩序度の大きいタンパク質も細胞内半減期が短い傾向があり、^{[7]無秩序なセグメントは}プロテアソームによる分解の効率的な開始を促進すると提案されている。^{[8] [9]}

タンパク質分解の速度は、ホルモン状態や栄養状態などの生物の生理学的状態によっても異なります。飢餓時には、タンパク質分解の速度が上昇します。

人間の消化では、食物中のタンパク質は、ペプシン、トリプシン、キモトリプシン、エラスターゼなどの消化酵素によって小さなペプチド鎖に分解され、カルボキシペプチダーゼ、アミノペプチダーゼ、ジペプチダーゼなどの様々な酵素によってアミノ酸に分解される。 タンパク質を腸で吸収できるように小さなペプチド（トリペプチドとジペプチド）とアミノ酸に分解する必要があり、吸収されたトリペプチドとジペプチドも、血流に入る前に細胞内でさらにアミノ酸に分解される。^[10]異なる酵素は基質に対して異なる特異性を持ち、例えばトリプシンは正に帯電した残基（アルギニンとリジン）の後のペプチド結合を切断し、キモトリプシンは芳香族残基（フェニルアラニン、チロシン、トリプトファン）の後の結合を切断する。エラスターゼは、アラニンやグリシンなどの小さな非極性残基の後の結合を切断します。

消化酵素の不適切または時期尚早な活性化（例えば、膵臓の自己消化を引き起こして膵炎を引き起こす可能性がある）を防ぐため、これらの酵素は不活性なチモーゲンとして分泌されます。ペプシンの前駆体であるペプシノーゲンは胃から分泌され、胃内の酸性環境でのみ活性化されます。膵臓は、トリプシンやキモトリプシンなど、いくつかのプロテアーゼの前駆体を分泌します。トリプシンのチモーゲンはトリプシノーゲンで、十二指腸粘膜から分泌される非常に特殊なプロテアーゼであるエンテロキナーゼによって活性化されます。トリプシンは、活性化されると、他のトリプシノーゲンだけでなく、キモトリプシンやカルボキシペプチダーゼなどの他のプロテアーゼの前駆体も切断して活性化することができます 。

細菌では、不活性な酵素前駆体またはプレ酵素前駆体を使用する同様の戦略が使用されています。枯草菌によって生成されるサブチリシンはプレプロサブチリシンとして生成され、シグナルペプチドが切断され、自己触媒タンパク質分解活性化が起こった場合にのみ放出されます。

タンパク質分解は、酵素、転写因子、受容体を活性化または不活性化することで、多くの細胞プロセスの調節にも関与しており、例えばコレステロールの生合成^[11]や、プロテアーゼ活性化受容体を介したトロンビンシグナル伝達の媒介などです。^[12]

オルニチン脱炭酸酵素など、重要な代謝制御ポイントにある酵素の一部は、その合成速度と分解速度によって完全に制御されます。急速に分解されるその他のタンパク質には、細胞増殖の制御において中心的な役割を果たすプロトオンコゲンのタンパク質産物が含まれます。

サイクリンは細胞分裂に関与するキナーゼを活性化するタンパク質群です。サイクリンの分解は有糸分裂から抜け出して次の細胞周期に進むための重要なステップです。^{[13]サイクリンは細胞周期の過程で蓄積し、有糸分裂の}終期の直前に突然消失します。サイクリンはユビキチンを介したタンパク質分解経路によって除去されます。

カスパーゼは、アポトーシスまたはプログラム細胞死に関与する重要なプロテアーゼのグループです。カスパーゼの前駆体であるプロカスパーゼは、アポトーシスを形成するタンパク質複合体との結合によるタンパク質分解、またはグランザイム Bによって、あるいは細胞死受容体経路を介して活性化される可能性があります。

一部のタンパク質では自己タンパク質分解が起こり、ペプチド結合が自己触媒分子内反応で切断される。酵素前駆体とは異なり、これらの自己タンパク質分解タンパク質は「単一ターンオーバー」反応に関与し、切断後のさらなる反応を触媒しない。例としては、フォン・ヴィレブランド因子D型（VWD）ドメインのサブセット^{[14] [15]}および髄膜炎菌FrpC自己プロセシングドメインのAsp-Pro結合の切断、^[16]、サルモネラFlhBタンパク質のAsn-Pro結合の切断、 ^[17]、 エルシニアYscUタンパク質のAsn-Pro結合の切断、^[18]、およびウニ精子タンパク質、エンテロキナーゼ、およびアグリン（SEA）ドメインのサブセットのGly-Ser結合の切断などがある。^[19]場合によっては、自己タンパク質分解による切断はペプチド結合の立体配座の歪みによって促進される。^[19]

異常なタンパク質分解活性は多くの疾患と関連している。^[20]膵炎では、膵臓でのプロテアーゼの漏出と早期活性化により、膵臓の自己消化が起こる。糖尿病患者はリソソーム活性が上昇し、一部のタンパク質の分解が著しく増加する可能性がある。関節リウマチなどの慢性炎症性疾患では、細胞外空間へのリソソーム酵素の放出が関与し、周囲の組織を分解する可能性がある。異常なタンパク質分解は、細胞内で凝集するペプチドの生成と効果的な除去の欠如により、アルツハイマー病などの多くの加齢性神経疾患を引き起こす可能性がある。 ^[21]

プロテアーゼは抗プロテアーゼまたはプロテアーゼ阻害剤によって制御され、プロテアーゼと抗プロテアーゼの不均衡は、例えば喫煙によって引き起こされる肺気腫における肺組織の破壊などの疾患を引き起こす可能性がある。喫煙は肺の好中球とマクロファージを増加させ、エラスターゼなどのタンパク質分解酵素を過剰に放出する_ため、 α1-アンチトリプシンなどのセルピンによって阻害できなくなり、肺の結合組織が破壊されると考えられている。他のプロテアーゼとその阻害剤、例えばマトリックスメタロプロテアーゼ（MMP）やメタロプロテアーゼの組織阻害剤（TIMP）もこの疾患に関与している可能性がある。^[22]

異常なタンパク質分解に関連するその他の疾患には、筋ジストロフィー、変性皮膚疾患、呼吸器疾患や胃腸疾患、悪性腫瘍などがあります。

タンパク質骨格は中性 pH および室温で水中で非常に安定しているが、ペプチド結合の加水分解速度はペプチド結合の種類によって異なる。通常の条件下でのペプチド結合の半減期は 7 年から 350 年の範囲であり、修飾末端またはタンパク質内部で保護されたペプチドの場合はさらに長くなる。^{[23] [24] [25]} ただし、加水分解速度は pH および熱の極端な値によって大幅に増加する可能性がある。タンパク質の自発的切断には、セリンおよびトレオニン上の亜鉛による触媒作用も関与している可能性がある。^[26]

強無機酸はタンパク質中のペプチド結合を容易に加水分解する（酸加水分解）。分析のためにタンパク質またはペプチドをその構成アミノ酸に加水分解する標準的な方法は、6M塩酸中で約24時間105℃に加熱することである。^[27] しかし、一部のタンパク質は酸加水分解に耐性がある。よく知られている例の1つはリボヌクレアーゼAであり、粗抽出物を熱硫酸で処理することで精製することができ、リボヌクレアーゼAはそのまま残り、他のタンパク質は分解される。^[28]

特定の化学物質は特定の残基の後でのみタンパク質分解を引き起こし、これらを使用してタンパク質をより小さなポリペプチドに選択的に分解し、実験室で分析することができます。^[29]たとえば、臭化シアンはメチオニンの後のペプチド結合を切断します。同様の方法を使用して、トリプトファニル、アスパルチル、システイニル、およびアスパラギニルペプチド結合を特異的に切断することができます。トリフルオロ酢酸やギ酸などの酸を切断に使用できます。

他の生体分子と同様に、タンパク質も高熱だけで分解される。250℃ではペプチド結合は容易に加水分解され、半減期は約1分に低下する。^{[27] [30]タンパク質は}熱分解によって加水分解されずに分解されることもある。分解すると小さな複素環式化合物が形成され始める可能性がある。500℃を超えると多環芳香族炭化水素も形成される可能性があり、^{[31] [32]}これはタバコの煙や高温調理における発がん物質の生成に関する研究で興味深い。 ^{[33] [34]}

タンパク質分解は研究や診断の用途にも使用されます。

• 融合タンパク質を切断し、タンパク質発現および精製に使用される融合パートナーおよびタンパク質タグを除去します。使用されるプロテアーゼは、トロンビン、エンテロキナーゼ、TEVプロテアーゼなど、高度の特異性を備えているため、標的配列のみが切断されます。
• 望ましくない酵素活性の完全な不活性化、または不要なタンパク質の除去。例えば、尿素やSDSに安定な広域スペクトルのプロテアーゼであるプロテイナーゼKは、DNAやRNAを分解する可能性のある不要なヌクレアーゼ汚染物質を除去するために核酸の調製によく使用されます。 ^[35]
• 特定のタンパク質の部分的な不活性化、または機能の変更。例えば、DNAポリメラーゼIをサブチリシンで処理すると、ポリメラーゼ機能は保持されるが5'-エキソヌクレアーゼ活性を欠くクレノウ断片が得られる。 ^[36]
• 液体クロマトグラフィー質量分析法(LC-MS)によるプロテオーム解析のための溶液中のタンパク質の消化。これは、ゲル電気泳動による分離後にタンパク質をゲル内消化し、質量分析法で同定することによって行うこともできます。
• 広範囲の条件下での折り畳まれたドメインの安定性の解析。^[37]
• 結晶化プロジェクトの成功率の向上^[38]
• 細菌やその他の生物を培養するための成長培地で使用される消化タンパク質の生成（例：溶原性培養液中のトリプトン）。

プロテアーゼは活性部位に関与する触媒基によって分類することができる。^[39]

• システインプロテアーゼ
• セリンプロテアーゼ
• トレオニンプロテアーゼ
• 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
• メタロプロテアーゼ
• アスパラギンペプチドリアーゼ

毒蛇が作り出す毒など、特定の種類の毒もタンパク質分解を引き起こす可能性があります。これらの毒は実際には複雑な消化液であり、体外で作用を開始します。タンパク質分解毒は、次のような影響を含む 幅広い毒性効果を引き起こします。 ^[40]

• 細胞毒性（細胞を破壊する）
• 血液毒性（血液を破壊する）
• 筋毒性（筋肉を破壊する）
• 出血性の

• タンパク質分解マップ
• PROTOMAPタンパク質分解基質を同定するプロテオーム技術
• プロテアソーム
• ゲル内消化
• ユビキチン

• Thomas E Creighton (1993)。タンパク質：構造と分子特性（第2版）。WH Freeman and Company。ISBN 978-0-7167-2317-2。

• Journal of Proteolysis は、タンパク質分解およびタンパク質分解経路のあらゆる分野における高品質の論文やレビューの全範囲を電子的に出版するための国際フォーラムを提供するオープン アクセス ジャーナルです。
• タンパク質分解経路センターのタンパク質分解MAP