セリンプロテアーゼ

セリンプロテアーゼ
ウシキモトリプシンの結晶構造。触媒残基は黄色の棒で示されています。PDB 1CBW からレンダリングされました。
識別子
EC番号	3.4.21.-
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PDB構造	RCSB PDB PDBe PDBsum
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セリンプロテアーゼ（またはセリンエンドペプチダーゼ）は、タンパク質のペプチド結合を切断する酵素です。 セリンは（酵素の）活性部位で求核アミノ酸として機能します。^{[1]これらは}真核生物と原核生物 の両方に遍在しています。セリンプロテアーゼは、その構造に基づいて、キモトリプシン様（トリプシン様）またはサブチリシン様の2つの大きなカテゴリに分類されます。^[2]

MEROPSプロテアーゼ分類システムには、それぞれ多くのファミリーを含む 16 のスーパーファミリー(2013 年現在)があります。各スーパーファミリーは、異なるタンパク質フォールド内の触媒トライアドまたはダイアドを使用するため、触媒メカニズムの収束進化を表しています。大部分は、プロテアーゼのPA クラン(スーパーファミリー) の S1 ファミリーに属します。

スーパーファミリーの場合、P: スーパーファミリー、求核性クラスのファミリーの混合を含む、S: 純粋なセリンプロテアーゼ。スーパーファミリー。各スーパーファミリー内では、ファミリーは触媒求核性によって指定されます (S: セリンプロテアーゼ)。

セリンプロテアーゼは、触媒活性部位に収束する2つのβバレルドメインからなる独特の構造を特徴としています。これらの酵素は、基質特異性に基づいて、トリプシン様、キモトリプシン様、エラスターゼ様のいずれかに分類できます。^[5]

トリプシン様プロテアーゼは、正に帯電したアミノ酸（リジンまたはアルギニン）に続くペプチド結合を切断します。^{[6]この特異性は、酵素のS1ポケットの底にある残基（通常は負に帯電した}アスパラギン酸またはグルタミン酸） によって決まります。

キモトリプシン様酵素の S1 ポケットは、トリプシン様プロテアーゼよりも疎水性が高い。このため、チロシン、フェニルアラニン、トリプトファンなどの中型から大型の疎水性残基に特異性がある。

これらには、トロンビン、組織活性化プラスミノーゲン、プラスミンなどがある。これらは凝固や消化、またアルツハイマー病やパーキンソン病による認知症などの神経変性疾患の病態生理学において役割を果たしていることがわかっている。ヘビ毒には、毒性の強いトロンビン様セリンプロテアーゼアイソフォームが多数含まれている。^[7]

エラスターゼ様プロテアーゼは、トリプシン様プロテアーゼやキモトリプシン様プロテアーゼよりも S1 溝がはるかに小さい。その結果、アラニン、グリシン、バリンなどの残基が好まれる傾向がある。

サブチリシンは原核生物のセリンプロテアーゼです。サブチリシンは進化的にはキモトリプシン属とは無関係ですが、求核性セリンを生成する触​​媒三部構成を利用する同じ触媒機構を共有しています。これは、進化の過程で同じ機構が 2 回独立して進化したため、収斂進化を説明するために使用される典型的な例です。

セリンプロテアーゼの触媒機構の主役は、触媒三元体です。三元体は、触媒作用が起こる酵素の活性部位に位置し、セリンプロテアーゼ酵素のすべてのスーパーファミリーで保持されています。三元体は、3 つのアミノ酸( His 57、Ser 195 (「セリンプロテアーゼ」という名前はここから来ています)、Asp 102) からなる協調構造です。これらの 3 つの主要なアミノ酸は、それぞれプロテアーゼの切断能力に不可欠な役割を果たします。三元体のアミノ酸メンバーは、タンパク質の配列上では互いに離れて位置していますが、折り畳みのため、酵素の中心部では非常に近くなります。三元体メンバーの特定の形状は、その特定の機能に非常に特徴的です。三元体のわずか 4 つのポイントの位置が、それを含む酵素の機能を特徴付けることが示されました。^[8]

触媒作用が発生すると、いくつかの中間体が生成される順序付けられたメカニズムが発生します。ペプチド切断の触媒作用は、ピンポン触媒として考えることができます。ピンポン触媒では、基質が結合し (この場合は、切断されるポリペプチド)、生成物が放出され (アミノ基が見えるペプチドの C 末端の「半分」)、別の基質が結合し (この場合は、水)、別の生成物が放出されます (カルボキシル基が見えるペプチドの N 末端の「半分」)。

このプロセスでは、3 つのアミノ酸のうち各アミノ酸が特定のタスクを実行します。

• セリンには求核剤として作用する -OH 基があり、基質の切断可能なペプチド結合のカルボニル炭素を攻撃します。
• ヒスチジン窒素上の電子対はセリン-OH基から水素を受け入れる能力があり、それによってペプチド結合の攻撃を調整します。
• アスパラギン酸のカルボキシル基はヒスチジンと水素結合し、上記の窒素原子の電気陰性度をさらに高めます。

全体の反応は次のように要約できます。

• ポリペプチド基質はセリンプロテアーゼ酵素の表面に結合し、切断可能な結合が酵素の活性部位に挿入され、この結合のカルボニル炭素は求核性 セリンの近くに位置します。
• セリンの-OHがカルボニル炭素を攻撃し、ヒスチジンの窒素が[セリン]の-OHから水素を受け取り、カルボニル酸素の二重結合から電子対が酸素に移動します。その結果、四面体中間体が生成されます。
• ペプチド結合の窒素と炭素を繋ぐ結合はこれで切断されます。この結合を形成している共有電子はヒスチジンの水素を攻撃するために移動して、結合を切断します。カルボニル酸素の二重結合から以前に移動した電子は負の酸素から戻って結合を再構築し、アシル酵素中間体を生成します。
• ここで、水が反応に加わります。水は切断されたペプチドのN 末端を置き換え、カルボニル炭素を攻撃します。再び、二重結合の電子が酸素に移動し、水の酸素と炭素の結合が形成されるため、酸素は負になります。これは、水からプロトンを受け取るヒスチジンの窒素によって調整されます。全体として、これにより別の四面体中間体が生成されます。
• 最終反応では、最初のステップで形成されたセリンとカルボニル炭素間の結合が、ヒスチジンが獲得したばかりの水素を攻撃するように移動されます。電子不足になったカルボニル炭素は、酸素と二重結合を再形成します。その結果、ペプチドのC 末端が排出されます。

プロテアーゼの追加のアミノ酸であるGly 193とSer 195 が、いわゆるオキシアニオンホールの生成に関与していることが発見されました。Gly 193とSer 195 はどちらも、水素結合のためにバックボーンの水素を供与できます。ステップ 1 とステップ 3 の四面体中間体が生成されると、カルボニル二重結合から電子を受け取った負の酸素イオンが、オキシアニオン ホールに完全に適合します。実際、セリン プロテアーゼは遷移状態に優先的に結合し、全体的な構造が有利になり、反応の活性化エネルギーが低下します。この「優先的な結合」が、酵素の触媒効率の多くを担っています。

宿主生物は、セリンプロテアーゼの活性が適切に制御されていることを確認する必要があります。これは、初期のプロテアーゼ活性化と阻害剤の分泌を必要とすることで実現されます。

酵素前駆体は通常は不活性です。消化酵素が合成時に活性であれば、すぐに合成中の臓器や組織を分解し始めます。急性膵炎はそのような状態であり、膵臓の消化酵素が早期に活性化し、自己消化（自己分解）を引き起こします。また、膵臓は視覚的に評価される前に自己消化してしまうことが多いため、 死後の調査も複雑になります。

チモーゲンは、分解したり、より小さな活性酵素に変化したりする能力を持つ、大きく不活性な構造です。チモーゲンと活性酵素の違いは、チモーゲンの触媒活性部位が歪んでいる点にあります。その結果、基質ポリペプチドは効果的に結合できず、タンパク質分解は起こりません。活性化後、チモーゲンの立体配座と構造が変化し、活性部位が開かれて初めて、タンパク質分解が起こります。

ご覧のとおり、トリプシノーゲンのトリプシンへの活性化は、トリプシノーゲン自身の反応だけでなく、キモトリプシンとエラスターゼの両方の反応も活性化するため、不可欠です。したがって、この活性化が時期尚早に起こらないようにすることが重要です。生物は自己消化を防ぐためにいくつかの保護手段を講じています。

• トリプシンによるトリプシノーゲンの活性化は比較的遅い
• チモーゲンは、タンパク質分解に耐性があると考えられている壁を持つカプセルであるチモーゲン顆粒に保存されます。

特定の阻害剤は四面体中間体に似ており、活性部位を埋めて酵素が適切に機能するのを妨げます。強力な消化酵素であるトリプシンは膵臓で生成されます。阻害剤は膵臓自体の自己消化を妨げます。

セリンプロテアーゼはセリンプロテアーゼ阻害剤とペアになっており、不要になったときにその活性をオフにします。^{[9] [自費出版ソース? ]}

セリンプロテアーゼは、研究または治療目的の合成化学阻害剤や天然のタンパク質阻害剤など、多様な阻害剤によって阻害されます。「セルピン」（セリンプロテアーゼ阻害剤の略）と呼ばれる天然阻害剤の1つのファミリーは、セリンプロテアーゼと共有結合を形成し、その機能を阻害します。最もよく研​​究されているセルピンは、抗トロンビンとα1-アンチトリプシンで、それぞれ凝固/血栓症と肺気腫/ A1ATにおける役割が研究されています。人工の不可逆的な小分子阻害剤には、AEBSFとPMSFがあります。

パシファスチンと呼ばれる節足動物のセリンペプチダーゼ阻害剤のファミリーはイナゴやザリガニで同定されており、節足動物の免疫系で機能している可能性がある。^[10]

変異は酵素の活性を低下させたり増加させたりします。これはセリンプロテアーゼの正常な機能に応じて異なる結果をもたらす可能性があります。たとえば、プロテインCの変異はプロテインC欠乏症につながり、血栓症になりやすくなります。また、一部のプロテアーゼは、ウイルスのスパイクタンパク質をプライミングして「融合タンパク質」と呼ばれるタンパク質を表示することにより、宿主細胞とウイルスの融合の活性化に重要な役割を果たします（TMPRSS2はSARS-CoV-2融合を活性化します）。外因性のヘビ毒セリンプロテアーゼは、その活性の調節がないため、宿主に注入されるとさまざまな凝固障害を引き起こします。^[7]

セリンプロテアーゼレベルの測定は、特定の疾患の状況において有用である可能性があります。

• 出血性疾患や血栓性疾患の診断には凝固因子レベルが必要になる場合があります。
• 糞便エラスターゼは、嚢胞性線維症や慢性膵炎などの膵臓の外分泌活動を調べるために使用されます。
• 血清前立腺特異抗原は、前立腺がんのスクリーニング、リスク層別化、および治療後のモニタリングに使用されます。
• 肥満細胞から放出されるセリンプロテアーゼは、アナフィラキシーなどの1 型過敏症反応の重要な診断マーカーです。半減期が長いためヒスタミンよりも有用であり、臨床的に有用な時間体内に留まります。

セリンプロテアーゼの中には、その触媒活性により強力な抗菌作用を持つものがある。いくつかの試験管内研究では、いくつかのプロテアーゼがウイルス表面タンパク質を切断することで毒性を低下させる効果があることが実証されている。ウイルスの宿主細胞への侵入は、これらの表面タンパク質と宿主細胞の相互作用によって媒介される。これらのタンパク質がウイルス表面で断片化または不活性化されると、ウイルスの侵入が阻害され、インフルエンザ、hRSウイルスなどの病理学的に関連する幅広い微生物の感染性が低下する。^{[11] [12]}

• ペプチダーゼとその阻害剤に関する MEROPS オンライン データベース: セリン ペプチダーゼ 2017-04-04 にWayback Machineでアーカイブ
• セントルイス大学(SLU)のセリンプロテアーゼサイト
• 米国国立医学図書館医学件名標目表(MeSH)のセリン+プロテアーゼ