組織トランスグルタミナーゼ

組織トランスグルタミナーゼ（ tTGまたはTG2と略記）は、タンパク質-グルタミンγ-グルタミルトランスフェラーゼファミリー（または単にトランスグルタミナーゼファミリー）に属する78 kDaのカルシウム依存性酵素（EC 2.3.2.13 ）です。 ^{[ 5 ] [ 6 ]}他のトランスグルタミナーゼと同様に、リジン残基のε-アミノ基とグルタミン残基のγ-カルボキサミド基の間でタンパク質を架橋し、タンパク質分解（タンパク質分解）に対して非常に耐性のある分子間または分子内結合を形成します。tTGは架橋機能の他に、脱アミド化、GTP結合/加水分解、イソペプチダーゼ活性などの他のタイプの反応を触媒します。^{[ 7 ]} トランスグルタミナーゼファミリーの他のメンバーとは異なり、tTGはさまざまなタイプの組織の細胞内空間と細胞外空間の両方に存在し、心臓、肝臓、小腸など多くの異なる臓器に存在します。細胞内tTGは細胞質に豊富に存在しますが、核やミトコンドリアにも少量存在します。^{[ 6 ]}細胞内tTGはアポトーシス において重要な役割を果たすと考えられています。^{[ 8 ]}細胞外空間では、tTGは細胞外マトリックス（ECM）のタンパク質に結合し、^{[ 9 ]}特にフィブロネクチンに強く結合します。^{[ 10 ]} 細胞外tTGは、細胞接着、ECMの安定化、創傷治癒、受容体シグナル伝達、細胞増殖、細胞運動性に関連しています。^{[ 6 ]}

tTGはセリアック病の自己抗原であり、生涯にわたる疾患であるセリアック病では、食事中のグルテンの摂取により病的な免疫反応が引き起こされ、小腸の炎症とそれに続く絨毛萎縮が生じる。^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]}また、tTGは、さまざまな癌や神経変性疾患など、他の多くの疾患の病態生理にも関与している。^{[ 14 ]}

ヒトtTGの架橋の触媒機構は、tTGの活性部位にあるCys残基のチオール基が関与している。 ^{[ 6 ]}チオール基は、タンパク質またはペプチド基質の表面にあるグルタミン残基 のカルボキサミドを攻撃し、アンモニアを放出してチオエステル中間体を生成する。チオエステル中間体は、次に2番目の基質（通常はリジン残基）の表面アミンによって攻撃される。反応の最終生成物は、2つの基質間の安定なイソペプチド結合（すなわち架橋）である。あるいは、チオエステル中間体は加水分解され、グルタミン残基がグルタミン酸に変換される（すなわち脱アミド化）。^{[ 6 ]} tTGによって触媒されるグルタミン残基の脱アミド化は、セリアック病におけるグルテンに対する病理学的免疫応答に関連していると考えられている。^{[ 12 ]} 架橋反応と脱アミド化反応の概略図を図1に示す。

tTGの発現は、複雑なシグナルカスケードに応じて転写レベルで制御される。合成されたタンパク質の大部分は細胞質、形質膜、ECMに存在するが、ごく一部は核に移行し、そこで転写因子の制御を介して自身の発現の制御に関与する。^{[ 22 ]}

^{tTGによる架橋活性にはCa2 +}イオンの結合が必要である。^{[ 23 ]} 1つのtTG分子には複数のCa2 ^{+が結合することができる。 [ 6 ]}具体的には、tTGは5つの異なる結合部位で最大6個のカルシウムイオンに結合する。これらの結合部位の変異によりカルシウム親和性が低下すると、酵素のトランスグルタミナーゼ活性が低下する。^{[ 14 ]}対照的に、1分子のGTPまたはGDPの結合は、酵素の架橋活性を阻害する。^{[ 23 ]} したがって、細胞内のtTGは、細胞内のGTP/GDP濃度が比較的高く、カルシウム濃度が低いため、ほとんど不活性である。^{[ 6 ] [ 12 ]}細胞外tTGは、細胞外空間のグアニンヌクレオチド 濃度が低く、カルシウム濃度が高いため活性であると予想されるが、細胞外tTGはほとんど不活性であることが証拠によって示されている。^{[ 6 ] [ 12 ] [ 23 ]}最近の研究では、細胞外tTGは、隣接する2つのシステイン残基、すなわちCys 370とCys 371の間にジスルフィド結合が形成されることによって不活性に保たれていることが示唆されている。 ^{[ 24 ]} このジスルフィド結合が形成されると、酵素は開いたコンフォメーションのままだが、触媒活性を失う。^{[ 24 ]}ジスルフィド結合の酸化還元は、 tTGの活性化のための3番目のアロステリック調節機構（GTP/GDPおよびCa ²⁺とともに）として機能する。 ^{[ 12 ]}チオレドキシン-1は、ジスルフィド結合を還元することによって細胞外tTGを活性化することが示されている。^{[ 23 ]} tTGでは、Cys-230とCys-370残基の間に別のジスルフィド結合が形成される可能性がある。この結合は酵素の天然状態では存在しないが、酵素が酸化によって不活性化されると現れる。^{[ 20 ]}カルシウムの存在は両方のジスルフィド結合の形成を防ぎ、それによって酵素の酸化に対する耐性を高めます。^{[ 20 ]}

最近の研究では、インターフェロンγが小腸の細胞外tTGの活性化因子として機能する可能性が示唆されており、これらの研究はセリアック病の病因に直接関係している。^{[ 12 ]} tTGの活性化は、コンパクトな（不活性）構造から伸長した（活性）構造への大きな構造変化を伴うことが示されている。（図3参照）^{[ 23 ] [ 25 ] [ 26 ]}

細胞外マトリックスでは、TG2は主に小胞体タンパク質57（ERp57）の酸化活性により「オフ」になっている。^{[ 24 ]}したがって、tTGはErp57とTRX-1という2つの異なるタンパク質によってアロステリックに制御されている。^{[ 24 ]}（図4を参照）。

tTGは遍在的に発現し、細胞質、核、形質膜などのさまざまな細胞区画に存在します。^{[ 14 ]}トランスアミド化活性には補因子としてカルシウムが必要です。転写はレチノイン酸によって増加します。その多くの想定される機能の中で、創傷治癒、アポトーシス、細胞外マトリックスの発達^{[ 11 ]}、分化、細胞接着^{[ 14 ]}に役割を果たしているようです。tTGは、異なる細胞型で非常に異なる活性を持つ可能性があることが指摘されています。たとえば、ニューロンでは、tTGは損傷を受けた細胞の生存をサポートしますが、アストロサイトでは、tTGの遺伝子発現をノックアウトすると細胞の生存に有益です。^{[ 27 ]}

tTGは、ミオシン、アクチン、スペクトリンなどの様々な細胞骨格タンパク質を架橋することで細胞骨格の調節に関与していると考えられている。^{[ 28 ]} 細胞内tTGがミオシンと架橋するという証拠がある。また、tTGは細胞骨格の構成要素を重合することでアポトーシス中の死細胞の構造を安定化させ、細胞内容物が細胞外空間に漏れるのを防ぐと考えられている。^{[ 7 ]}

tTGはGTPase活性も有する。 ^{[ 5 ]} GTPが存在する場合、シグナル伝達プロセスに関与するGタンパク質として機能することが示唆されている。^{[ 29 ]トランスグルタミナーゼ活性に加えて、tTGはキナーゼ[ 30 ]}、タンパク質ジスルフィドイソメラーゼ^{[ 31 ] 、およびデアミダーゼ[ 32 ]}としても作用すると考えられている。この後者の活性はグリアジンペプチドの脱アミド化において重要であり、セリアック病の病態において重要な役割を果たしている。

tTGはPDI（タンパク質ジスルフィドイソメラーゼ）活性も示す。^{[ 33 ] [ 34 ]} tTGはPDI活性に基づいて、HSF1 （ヒートショック因子1）の三量体化を触媒し、それによって熱ショックに対する身体の反応を調節することで、プロテオスタシスの調節において重要な役割を果たしている。tTGが存在しない場合、必要な三量体が形成されないため、熱ショックに対する反応が損なわれる。^{[ 34 ]}

tTGは最も包括的に研究されているトランスグルタミナーゼであり、多くの疾患と関連付けられています。しかし、これらの疾患はいずれも酵素欠損とは関係ありません。実際、これまでのところ、tTG活性の欠如に起因する疾患はなく、これはtTGノックアウトマウスの研究によって証明されています。^{[ 35 ]}

TG2は酵素的相互作用と非酵素的相互作用の両方に関与する。酵素的相互作用は、カルシウム存在下でグルタミン供与基とリジン供与基を含むTG2とその基質タンパク質との間で形成される。TG2の基質はTG2活性に影響を与えることが知られており、これによりTG2は細胞内で多様な生物学的機能を実行できるようになる。しかし、TG2活性の調節における非酵素的相互作用の重要性はまだ明らかにされていない。最近の研究では、非酵素的相互作用が生理的役割を果たし、状況に応じて多様なTG2機能を可能にすることが示されている。^{[ 46 ]}

小胞体タンパク質57（Erp57）は、小胞体内でペプチドをMHCクラスI分子にロードする役割を担うシャペロン分子である。

トランスグルタミナーゼ2（TG2）は、細胞内外を問わず広く発現しているタンパク質であり、翻訳後調節の複数のモードを有し、その中にはCys-370-Cys-371間のアロステリックジスルフィド結合があり、これにより細胞外マトリックス中で酵素が不活性化される。 ^{[ 24 ]}

小胞体（ER）常在タンパク質57（ERp57）は、新生タンパク質の折り畳みを促進するERタンパク質であり、細胞外環境にも存在し、TG2を不活性化する細胞および生化学的特性を有している。我々は、培養ヒト臍帯静脈内皮細胞（HUVEC）において、ERp57が細胞外TG2と共局在することを発見した。ERp57は、前述の低分子酸化剤よりも400～2000倍高い速度定数でTG2を酸化した。さらに、TG2に対する特異性も、タンパク質ジスルフィドイソメラーゼ（PDI）、ERp72、TRX、およびクイエシンスルフィドリルオキシダーゼ1（QSOX1）を含む他の分泌型酸化還元タンパク質よりも著しく高かった。

• 抗エンドミシウム抗体（2021年5月12日にWayback Machineにアーカイブ済み）
• TG2の基質および相互作用パートナーのコレクションは、インタラクティブなトランスグルタミナーゼ基質データベースであるTRANSDABで閲覧できます。