カスパーゼ-3
カスパーゼ-3（caspase-3）は、プログラムされた細胞死であるアポトーシスを遂行する上で極めて重要な役割を果たす、システインプロテアーゼファミリーに属する酵素です。特にアポトーシスの「実行期」において、カスパーゼ-8やカスパーゼ-9といった他のカスパーゼと協調して機能します。
ヒトにおいてはCASP3遺伝子によってコードされており、この遺伝子のオルソログは、哺乳類をはじめ、鳥類、爬虫類、両生類、真骨類など、多くの生物種で確認されています。
カスパーゼ-3は、細胞内では不活性な酵素前駆体であるプロカスパーゼ-3として存在します。この前駆体は、およそ32 kDaの分子量を持っています。活性化される際には、特定の保存されたアスパラギン酸残基の箇所でタンパク質分解を受け、より小さな17 kDa（p17）と12 kDa（p12）のサブユニットに切断されます。これらの大小のサブユニットがそれぞれ一組となり（ヘテロ二量体）、さらにそのヘテロ二量体同士が相互作用して、最終的に活性型の「ヘテロ四量体」が形成されます。この四量体構造は、カスパーゼファミリーに特徴的な、αヘリックスに囲まれた12本のストランドからなるβシート構造を持ちます。活性部位は、ヘテロ二量体が頭尾（head-to-tail）型に配置された分子の両端に位置し、重要なシステイン残基（Cys163）とヒスチジン残基（His121）はp17サブユニット上に存在します。
カスパーゼ-3は、特定の4アミノ酸配列を認識し、その中のアスパラギン酸残基のC末端側のペプチド結合を加水分解するという、非常に高い基質特異性を示します。特に、Asp-x-x-Aspという配列の2番目のアスパラギン酸の後の結合を切断する傾向があります。末尾のアスパラギン酸は必須ですが、他の位置のアミノ酸にはある程度の多様性が許容されます。アスパラギン酸に対する選択性は、グルタミン酸と比較して20,000倍にも達すると考えられており、この高い特異性はカスパーゼ阻害剤や薬剤開発において重要な要素となっています。
活性部位では、Cys163のスルフヒドリル基とHis121のイミダゾール環が協調して機能します。His121が基質のアスパラギン酸カルボニル基を安定化する一方で、Cys163がペプチド結合の切断反応を促進します。Cys163とGly122は、基質と酵素が結合した際の四面体型遷移状態を安定化する役割も担います。in vitroの研究では、カスパーゼ-3はDEVDG（Asp-Glu-Val-Asp-Gly）配列の、2番目のアスパラギン酸とグリシンの間の結合を切断することが確認されています。カスパーゼ-3は比較的広範なpH範囲で活性を示し、これは正常な生理条件下でもアポトーシス条件下でもその機能を発揮できることを示唆しています。
カスパーゼ-3の活性化は厳密に制御されており、細胞傷害を無差別に引き起こすことを防いでいます。活性化は、外因性経路（細胞外からのシグナル、例えばデスリガンドやグランザイムB）と内因性経路（細胞内からのシグナル、主にミトコンドリアからのシトクロムc放出）のいずれによっても誘導されます。これらの経路において、まず「誘導型（イニシエーター）カスパーゼ」が活性化され、次にこのイニシエーターカスパーゼがプロカスパーゼ-3を切断することで、エフェクターカスパーゼであるカスパーゼ-3が活性化されます。
外因性経路では、細胞傷害性T細胞からのグランザイムBなどがイニシエーターカスパーゼを活性化し、カスパーゼカスケードが進行します。内因性経路では、ミトコンドリアから放出されたシトクロムcが、Apaf-1やATP、そしてイニシエーターカスパーゼであるカスパーゼ-9と複合体（アポトソーム）を形成し、この複合体がプロカスパーゼ-3のプロセシングを行います。
カスパーゼの活性は、細胞内の様々な因子によって制御されています。特にアポトーシス阻害因子（IAP: Inhibitor of Apoptosis）ファミリー、例えばXIAPなどがカスパーゼ活性を抑制します。XIAPはカスパーゼ-9に直接結合してその活性を阻害しますが、興味深いことに、カスパーゼ-3はカスパーゼ-9の特定の部位を切断することで、XIAPがカスパーゼ-9に結合して阻害するのを妨げ、間接的にXIAPの活性を抑制する働きも持ちます。
また、特定の天然物もカスパーゼ-3の活性に影響を与えることが報告されています。例えば、マンゴスチン（Garcinia mangostana）のエキスは、アミロイドβによって誘導される神経細胞におけるカスパーゼ-3の活性化を抑制する可能性が示されています。
カスパーゼ-3は、アポトーシスにおける主要な機能（クロマチン凝縮やDNA断片化など）に加え、脳の正常な発達に不可欠であることが示されています。さらに、カスパーゼ-3の切断断片であるp17の血中濃度の上昇は、心筋梗塞のバイオマーカーとなり得ることが示唆されています。胚性幹細胞や造血幹細胞の分化過程においても、カスパーゼ-3が関与している可能性が研究されています。
カスパーゼ-3は、上記のカスパーゼ-8、カスパーゼ-9、Apaf-1のほか、多くのタンパク質と相互作用することが知られており、複雑な細胞内シグナル伝達ネットワークの一部を形成しています。
ヒトにおいてはCASP3遺伝子によってコードされており、この遺伝子のオルソログは、哺乳類をはじめ、鳥類、爬虫類、両生類、真骨類など、多くの生物種で確認されています。
構造と活性化
カスパーゼ-3は、細胞内では不活性な酵素前駆体であるプロカスパーゼ-3として存在します。この前駆体は、およそ32 kDaの分子量を持っています。活性化される際には、特定の保存されたアスパラギン酸残基の箇所でタンパク質分解を受け、より小さな17 kDa（p17）と12 kDa（p12）のサブユニットに切断されます。これらの大小のサブユニットがそれぞれ一組となり（ヘテロ二量体）、さらにそのヘテロ二量体同士が相互作用して、最終的に活性型の「ヘテロ四量体」が形成されます。この四量体構造は、カスパーゼファミリーに特徴的な、αヘリックスに囲まれた12本のストランドからなるβシート構造を持ちます。活性部位は、ヘテロ二量体が頭尾（head-to-tail）型に配置された分子の両端に位置し、重要なシステイン残基（Cys163）とヒスチジン残基（His121）はp17サブユニット上に存在します。
基質特異性と触媒機構
カスパーゼ-3は、特定の4アミノ酸配列を認識し、その中のアスパラギン酸残基のC末端側のペプチド結合を加水分解するという、非常に高い基質特異性を示します。特に、Asp-x-x-Aspという配列の2番目のアスパラギン酸の後の結合を切断する傾向があります。末尾のアスパラギン酸は必須ですが、他の位置のアミノ酸にはある程度の多様性が許容されます。アスパラギン酸に対する選択性は、グルタミン酸と比較して20,000倍にも達すると考えられており、この高い特異性はカスパーゼ阻害剤や薬剤開発において重要な要素となっています。
活性部位では、Cys163のスルフヒドリル基とHis121のイミダゾール環が協調して機能します。His121が基質のアスパラギン酸カルボニル基を安定化する一方で、Cys163がペプチド結合の切断反応を促進します。Cys163とGly122は、基質と酵素が結合した際の四面体型遷移状態を安定化する役割も担います。in vitroの研究では、カスパーゼ-3はDEVDG（Asp-Glu-Val-Asp-Gly）配列の、2番目のアスパラギン酸とグリシンの間の結合を切断することが確認されています。カスパーゼ-3は比較的広範なpH範囲で活性を示し、これは正常な生理条件下でもアポトーシス条件下でもその機能を発揮できることを示唆しています。
活性化経路
カスパーゼ-3の活性化は厳密に制御されており、細胞傷害を無差別に引き起こすことを防いでいます。活性化は、外因性経路（細胞外からのシグナル、例えばデスリガンドやグランザイムB）と内因性経路（細胞内からのシグナル、主にミトコンドリアからのシトクロムc放出）のいずれによっても誘導されます。これらの経路において、まず「誘導型（イニシエーター）カスパーゼ」が活性化され、次にこのイニシエーターカスパーゼがプロカスパーゼ-3を切断することで、エフェクターカスパーゼであるカスパーゼ-3が活性化されます。
外因性経路では、細胞傷害性T細胞からのグランザイムBなどがイニシエーターカスパーゼを活性化し、カスパーゼカスケードが進行します。内因性経路では、ミトコンドリアから放出されたシトクロムcが、Apaf-1やATP、そしてイニシエーターカスパーゼであるカスパーゼ-9と複合体（アポトソーム）を形成し、この複合体がプロカスパーゼ-3のプロセシングを行います。
阻害と生理機能
カスパーゼの活性は、細胞内の様々な因子によって制御されています。特にアポトーシス阻害因子（IAP: Inhibitor of Apoptosis）ファミリー、例えばXIAPなどがカスパーゼ活性を抑制します。XIAPはカスパーゼ-9に直接結合してその活性を阻害しますが、興味深いことに、カスパーゼ-3はカスパーゼ-9の特定の部位を切断することで、XIAPがカスパーゼ-9に結合して阻害するのを妨げ、間接的にXIAPの活性を抑制する働きも持ちます。
また、特定の天然物もカスパーゼ-3の活性に影響を与えることが報告されています。例えば、マンゴスチン（Garcinia mangostana）のエキスは、アミロイドβによって誘導される神経細胞におけるカスパーゼ-3の活性化を抑制する可能性が示されています。
カスパーゼ-3は、アポトーシスにおける主要な機能（クロマチン凝縮やDNA断片化など）に加え、脳の正常な発達に不可欠であることが示されています。さらに、カスパーゼ-3の切断断片であるp17の血中濃度の上昇は、心筋梗塞のバイオマーカーとなり得ることが示唆されています。胚性幹細胞や造血幹細胞の分化過程においても、カスパーゼ-3が関与している可能性が研究されています。
カスパーゼ-3は、上記のカスパーゼ-8、カスパーゼ-9、Apaf-1のほか、多くのタンパク質と相互作用することが知られており、複雑な細胞内シグナル伝達ネットワークの一部を形成しています。
もう一度検索
【記事の利用について】
タイトルと記事文章は、記事のあるページにリンクを張っていただければ、無料で利用できます。
※画像は、利用できませんのでご注意ください。
【リンクついて】
リンクフリーです。