Α-シヌクレイン

α-シヌクレイン

α-シヌクレイン（あるふぁ・しぬくれいん、alpha-synuclein）は、ヒトではSNCA遺伝子によってコードされる、比較的短い140個のアミノ酸から構成されるタンパク質です。このタンパク質は、当初アルツハイマー病患者の脳に蓄積するアミロイド斑において、主要成分であるアミロイドベータとは異なる成分として発見されました。この発見当初、その前駆体としてNACP（Non-Abeta component precursor、非アミロイド成分の前駆体）と名付けられましたが、後にシビレエイの仲間が持つシヌクレインタンパク質との高い相同性が明らかになったことから、ヒトα-シヌクレインと呼ばれるようになりました。

α-シヌクレインは、その構造が変化して凝集・蓄積すると、神経細胞に障害を引き起こすことが知られています。特に、パーキンソン病、レビー小体型認知症、多系統萎縮症といった一群の神経変性疾患の原因物質と考えられており、これらの疾患は「シヌクレイノパチー」と総称されています。

組織における分布と細胞内局在

α-シヌクレインは、主に脳や神経系の組織に豊富に存在するタンパク質ですが、その機能についてはまだ完全に解明されていません。神経細胞の細胞質に最も多く見られ、細胞質全体のタンパク質の約1パーセントを占めると推計されています。脳内の分布は均一ではなく、大脳新皮質、海馬、黒質、視床、小脳などで高い発現が確認されています。神経細胞が中心ですが、グリア細胞などの他の細胞にも存在します。

細胞内の特定の場所としては、シナプス前終末に圧倒的に多く局在していることが特徴です。ここでは、神経伝達物質の放出に関わる脂質二重膜に結合した状態や、細胞質中に溶けて存在する状態で見られますが、膜結合型のものは全体の約15%程度に過ぎません。また、神経細胞の核の周辺にも広く存在しており、核内で何らかの役割を果たしている可能性も示唆されています。

さらに、近年ではミトコンドリアの内部にもα-シヌクレインが局在していることが明らかになっています。特に嗅球、海馬、線条体、黒質、視床といった部位では、細胞質と同様にミトコンドリア内部でも高濃度に存在しています。一方、大脳皮質や小脳では、細胞質には豊富ですがミトコンドリア内部には少ない、あるいはほとんど存在しないという部位特異的な分布を示します。ミトコンドリア内部では、特に内膜に局在しており、濃度が高まるとミトコンドリアのエネルギー産生に関わる呼吸鎖複合体Iの働きを阻害することが分かっています。このミトコンドリア内部での発現レベルの部位による違いが、ミトコンドリア機能に影響を与え、特定の脳領域で神経変性が起こりやすくなる潜在的な要因となっている可能性が指摘されています。メラニンを生成するメラニン細胞においては、SNCA遺伝子の発現が、小眼球症関連転写因子（MITF）によって調節されると考えられています。

分子構造と多様性

α-シヌクレインタンパク質は、そのアミノ酸配列に基づき、大きく三つのドメインに分けられます。
まず、N末端側の最初の60残基は、両親媒性の性質を持つ領域です。この領域には、KTKEGVという特徴的な配列を含む11アミノ酸からなる繰り返し構造が不完全に7回繰り返されています。この繰り返し配列は、脂質と結合する性質を持つアポリポタンパク質の構造に似ており、α-シヌクレインが脂質膜と相互作用する際にαヘリックス構造をとりやすい性質に関わっています。
中央の61番目から95番目までの領域は、比較的疎水性の性質を持ち、「非アミロイド成分（NAC）」と呼ばれています。この領域は、α-シヌクレインが互いに集合して凝集する際に中心的な役割を果たすと考えられています。
C末端側の96番目から140番目までの領域は、酸性度が高く、プロリンというアミノ酸を多く含んでいます。この領域は特定の安定した立体構造をとりにくい性質（天然変性）を持つとされています。このC末端領域に存在するチロシン125番目とセリン129番目のアミノ酸が、特定の酵素（キナーゼ）によってリン酸化されることが知られており、このリン酸化がα-シヌクレインの機能や構造の変化を調節に関与していると考えられています。

また、一つのSNCA遺伝子からは、遺伝情報の読み取り方（選択的スプライシング）の違いによって、少なくとも三種類の異なるアイソフォーム（アミノ酸配列が少し異なるが機能は似ているタンパク質）が産生されます。最もよく研究されている主要なアイソフォームは、遺伝子の全てが翻訳されてできる140アミノ酸残基のものです。その他に、エクソン3という遺伝子の一部が翻訳されないことで、41番目から54番目までのアミノ酸が欠損した126アミノ酸のα-シヌクレイン126や、エクソン5が欠損して103番目から130番目までのアミノ酸が欠損した112アミノ酸のα-シヌクレイン112などが存在します。

細胞内機能と脂質膜相互作用

α-シヌクレインの正確な機能はまだ完全には解明されていませんが、いくつかの役割が示唆されています。学習に伴う脳機能の変化として知られるシナプスの再構築の際に、シナプス前終末におけるα-シヌクレインの量が増加することが観察されており、何らかの形でシナプス機能の調節に関与していると考えられています。また、神経細胞内で物質輸送に関わる微小管を構成するチューブリンというタンパク質と相互作用することが示されており、タウタンパク質のように微小管結合タンパク質として働く可能性も指摘されています。

神経細胞が信号を伝えるために神経伝達物質を放出する過程には、SNAREタンパク質と呼ばれる分子群が形成する複合体が重要な役割を果たします。α-シヌクレインは、このSNARE複合体の形成を助ける分子シャペロンのような働きをしている可能性が示唆されています。特に、タンパク質のN末端ドメインで細胞膜のリン脂質に、C末端ドメインでSNAREタンパク質の一種であるシナプトブレビン-2に同時に結合することができ、これはシナプスが活発に活動している際に特に重要であると考えられています。加えて、α-シヌクレインが細胞内の小胞輸送や、タンパク質の修飾・選別を行うゴルジ装置の機能に関わっていることを示す証拠も増えつつあります。

α-シヌクレインは、脂質膜との密接な相互作用もその機能や性質の重要な側面です。膜の合成や再生に関与している可能性も示されています。特定の酵母を使った研究では、脂質の代謝に関わる酵素の中には、α-シヌクレインが細胞に与える毒性を強めるものがあることが報告されています。逆に、α-シヌクレインの量が、細胞膜を構成する脂質二重層内の脂肪酸の物理的な性質、例えば粘度や相対的な量に影響を与えることも分かっています。α-シヌクレインは、負の電荷を帯びた脂質膜の表面に直接結合する性質を持ちます。膜に結合した状態では、特に単層の小胞に結合した場合に伸展したαヘリックス構造をとることが確認されています。さらに、α-シヌクレインは小さな小胞により強く結合する傾向があり、脂質膜に結合することで膜の構造そのものを変化させ、より小さな小胞を形成させるという複雑な作用を及ぼします。具体的には、負の電荷を持つ大きな小胞の膜を曲げ、そこから細い環状の構造を持つ小さな小胞を作り出すような効果が観察されています。また、脂質膜における抗酸化活性を持つ可能性も指摘されています。

自己分解と断片化

試験管内（インビトロ）での実験では、α-シヌクレインを一定の温度で保管すると、自身の構造が壊れて、もとの14.46kDa（キロダルトン）の分子量よりも小さな様々な断片が生成されることが明らかになっています。高速液体クロマトグラフィーや高分解能質量分析器といった手法を用いて、多くの種類の断片が同定されており、例えばN末端やC末端が切断されてできる12.16kDa（14番目から133番目のアミノ酸）や、10.44kDa（40番目から140番目のアミノ酸）、あるいはC末端側の領域のみからなる7.27kDa（72番目から140番目のアミノ酸）といった断片が見つかっています。特に、7.27kDaの断片は、タンパク質の凝集に関わるNAC領域の大部分を含んでおり、元のα-シヌクレイン分子に比べてはるかに速く凝集する性質があります。これらの分解産物は、生体内（インビボ）でも生成されている可能性があり、α-シヌクレインの凝集プロセスを助けたり、促進したりする働きをしている可能性が考えられています。

神経変性疾患との関連性（シヌクレイノパチー）

長らくα-シヌクレインは、特定の構造を持たない可溶性のタンパク質であると考えられてきました。しかし、近年では、変異がない健康な状態のα-シヌクレインは、互いに集合して安定な四量体（4つの分子が集まった構造）を形成し、この構造が凝集しにくい性質（凝集抵抗性）を持つ可能性を示唆する研究結果も得られています。

しかし、パーキンソン病、レビー小体型認知症、多系統萎縮症といったシヌクレイノパチーと呼ばれる疾患においては、α-シヌクレインが異常に折りたたまれて不溶性の線維状構造を形成し、レビー小体と呼ばれる特徴的な細胞内封入体として神経細胞内に蓄積します。レビー小体はこれらの疾患の病理学的な特徴であり、その主要な構成成分が凝集したα-シヌクレイン線維です。興味深いことに、レビー小体の中にはタウタンパク質（アルツハイマー病の原因物質として知られる別のタンパク質）も存在することがあり、さらに一つの封入体の中にα-シヌクレインとタウタンパク質の両方の線維が混在して蓄積しているケースも見られます。病的なα-シヌクレインの蓄積は、パーキンソン病やレビー小体型認知症だけでなく、孤発性および家族性アルツハイマー病においても観察されることがあります。

α-シヌクレインがどのように凝集し、病的な線維を形成するのか、その詳細なメカニズムについてはまだ多くの不明な点があります。しかし、可溶性の状態から不溶性の線維へと変化する過程で、まずベータシート構造を多く含む中間的な構造を形成し、それが最終的にレビー小体として見られる線維構造へと発展していくことを示唆する証拠が得られています。一つのα-シヌクレイン分子は、天然変性状態、αヘリックス構造、ベータシート構造といった様々な構造をとりうる可能性があり、これらの構造が相互に平衡状態にあることを示す単分子レベルの研究も行われています。特定の条件下、例えば30番目のアミノ酸がアラニンからプロリンに変化するA30Pのような遺伝子変異や、緩衝液の組成変化によるイオン強度の増加などが凝集を促進することが知られていますが、これらの条件の下では、構造の平衡状態がベータシート構造が優位な方向へ移動し、凝集を引き起こすと考えられています。このことから、ベータシート構造への変化が病的な凝集に関与している可能性が高いとされています。

α-シヌクレインの異常な凝集が関わるこれらの神経変性疾患に対する治療戦略としては、様々なアプローチが考えられています。特に、α-シヌクレインの凝集や線維化を阻害する物質を利用する方法が注目されています。例えば、クミンアルデヒドのような比較的分子量の小さい化合物が、α-シヌクレインの線維形成を抑制することが実験的に示されています。また、近年ではエプスタイン・バール・ウイルスなどの感染が、これらの病態に関与している可能性も研究されています。

遺伝的な要因もシヌクレイノパチーの発症に関与することがあります。家族性パーキンソン病の中には、α-シヌクレインをコードするSNCA遺伝子自体に変異が見られる比較的稀なタイプが存在します。これまでに、53番目のアミノ酸がアラニンからスレオニンに変わるA53T、30番目のアラニンからプロリンに変わるA30P、46番目のグルタミン酸からリシンに変わるE46Kといった点変異が同定されています。さらに、遺伝子の一部あるいは全体が複数コピー存在してしまう遺伝子重複（二重重複、三重重複）も家族性パーキンソン病の原因となることが分かっており、これらの重複によるSNCA遺伝子の量の増加は、点変異よりも多くの家族性パーキンソン病を引き起こしていると考えられています。このように、SNCA遺伝子の変異や量的な変化が、α-シヌクレインの異常な凝集とそれに続くアミロイド類似の線維形成を引き起こし、パーキンソン病などの神経変性疾患の原因となることが明らかにされています。

臨床の現場では、シヌクレイノパチーの診断において、脳組織内のレビー小体を検出するために、これまで用いられてきた抗ユビキチン抗体に代わり、リン酸化されたα-シヌクレインに特異的に結合する抗体が免疫染色のゴールドスタンダードとして広く用いられるようになっています。これは、病的に凝集したα-シヌクレインの多くが特定の部位でリン酸化されていることに着目したものです。さらに、α-シヌクレインが分解されてできる断片の中には、タウタンパク質が原因となるタウオパチーと呼ばれる別の神経変性疾患群の病態にも関与している可能性が示唆されています。

他のタンパク質との相互作用

α-シヌクレインは、細胞内で様々なタンパク質と相互作用することが報告されています。これらの相互作用は、α-シヌクレインの正常な機能や、あるいは病態における異常な挙動に関わっていると考えられます。相互作用が知られている主要な分子としては、神経細胞によるドーパミンの取り込みに関わるドーパミン輸送体、家族性パーキンソン病の原因遺伝子として知られるパーキン（ユビキチンリガーゼ）、脂質代謝に関わるホスホリパーゼD1、α-シヌクレインと複合体を形成するシンフィリン-1（SNCAIP）、そして神経変性疾患に関わるタウタンパク質やアミロイドベータタンパク質などが挙げられます。これらの相互作用の研究は、α-シヌクレインの機能解明や病態メカニズムの理解、そして新たな治療標的の探索につながると期待されています。

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