セルピン

セルピンとは

セルピン（Serpin）は、「セリンプロテアーゼ阻害剤」を意味する英語の略語に由来する、特定の構造的類似性を持つタンパク質のスーパーファミリーです。元々はキモトリプシン型のセリンプロテアーゼを阻害する活性を持つタンパク質として最初に同定されました。このファミリーのメンバーは、動物、植物、菌類、細菌、古細菌、そしてウイルスといった、あらゆる生物界に見出されます。セルピンの最も顕著な特徴は、その特異な作用機構にあります。一般的なプロテアーゼ阻害剤が競合的に酵素の活性部位をブロックするのに対し、セルピンは自身の立体構造を劇的に変化させることで、標的となるプロテアーゼの活性中心を物理的に破壊し、不可逆的にその働きを停止させます。

この独自の阻害メカニズムにより、セルピンは血液凝固、炎症反応、免疫応答、組織リモデリングなど、生命維持に不可欠な多くの生化学的プロセスを厳密に制御しています。そのため、セルピンに含まれるタンパク質は、医学研究において重要な標的となっています。また、その独特な構造変化は、構造生物学やタンパク質フォールディングの研究においても大きな関心を集めています。この構造変化による阻害機構は、生理的な利点をもたらす一方で、タンパク質の折りたたみ異常や不活性な凝集体の形成といった問題を引き起こす可能性があり、これがセルピン病（Serpinopathy）と呼ばれる一連の疾患の原因となることがあります。セルピンの凝集は、機能的な阻害剤の減少を招くだけでなく、細胞への毒性や臓器不全を引き起こすこともあります。

セルピンの多くはタンパク質分解酵素の働きを制御しますが、一部にはプロテアーゼ阻害活性を持たず、卵白に含まれるオボアルブミンのような貯蔵機能や、チロキシン結合グロブリン、トランスコルチンのようなホルモン輸送機能、あるいはヒートショックプロテイン47のような分子シャペロンとして機能するものも存在します。これらのタンパク質も、進化的な類縁性からセルピンファミリーに含まれています。

歴史的背景

血漿中にプロテアーゼを阻害する因子が存在することは19世紀末には既に認識されていましたが、アンチトロンビンやα1-アンチトリプシンといった具体的なセルピン分子が単離されたのは1950年代以降です。セルピンに関する初期の研究は、主にヒトの疾患との関連に焦点を当てて行われました。例えば、α1-アンチトリプシンの欠損が肺気腫の一般的な遺伝的原因であることが判明し、またアンチトロンビンの欠乏が血栓症を引き起こすことが明らかになりました。

1980年代に入ると、これらの阻害性タンパク質と、オボアルブミンのような非阻害性タンパク質が、構造的に関連性の高い単一のスーパーファミリーを形成していることが明らかになりました。この頃、「セルピン」という名称が、ファミリーに共通するセリンプロテアーゼ阻害機能（serine protease inhibitors）にちなんで造語されました。同時期に、セルピンタンパク質の立体構造が初めて決定され、まず弛緩型、次いで緊張型の構造が解明されました。これらの構造解析から、セルピンの阻害作用が劇的な立体構造変化を伴うことが示唆され、その後の研究はこのユニークな構造と機能の相関に深く切り込んでいくことになります。

これまでに1000種類以上のセルピンが同定されており、ヒトでは36種類が確認されています。その分布は極めて広範で、動物、植物、菌類、細菌、古細菌、そしてウイルスにまで及びます。2000年代には、進化的な関係に基づいたセルピンスーパーファミリーの系統的な命名法が確立されました。セルピンは現在、プロテアーゼ阻害剤の中で最も大きく、最も多様なスーパーファミリーとして認識されています。

活性機構と構造変化

多くのセルピンは、細胞外に存在するキモトリプシン型のセリンプロテアーゼを標的とする阻害剤として機能します。これらのプロテアーゼは、活性部位に求核性のセリン残基を持ち、トロンビン、トリプシン、好中球エラスターゼなどが例として挙げられます。セルピンは、プロテアーゼが基質を切断する際の中間状態（アシル酵素中間体）を捕捉することで、自身も共有結合的に結合し、不可逆的に「自殺型阻害剤」として働きます。

一部のセルピンは、活性部位にセリンではなくシステイン残基を持つシステインプロテアーゼなど、他のクラスのプロテアーゼも阻害し、「クラス横断型阻害剤」と呼ばれます。標的とするアミノ酸は異なりますが、酵素化学的な類似性から、セルピンによる阻害機構はセリンプロテアーゼの場合と基本的には同じです。例として、セルピンB4（扁平上皮癌抗原1としても知られる）や鳥類のMENTが挙げられ、これらはパパイン様システインプロテアーゼを阻害します。

セルピンの阻害作用の核心は、独特の立体構造変化にあります。阻害型セルピンは、反応中心ループ（RCL）と呼ばれる柔軟な領域が標的プロテアーゼの活性部位に入り込むことから相互作用を開始します。プロテアーゼがRCLを切断しようとすると、セルピンはアシル酵素中間体を形成しながら、非常に速やかに（通常の基質加水分解より数桁速く）劇的な構造変化を起こします。この変化により、RCL全体がセルピン分子の反対側にあるAシートと呼ばれるβシートに組み込まれ、新たなβストランドとなります。この構造変化は、エネルギー的に不安定な「緊張状態（S型）」から、より安定な「弛緩状態（R型）」への遷移（S-R遷移）として記述されます。

このS-R遷移は、セルピンに共有結合したままのプロテアーゼを、セルピン分子全体にわたって引きずり込みます。これにより、プロテアーゼの触媒三残基が物理的に歪められ、基質（この場合はセルピン自身）の加水分解が著しく遅延します。結果として、プロテアーゼは数日から数週間にわたってセルピンと結合したまま不活性化されます。このように、セルピンは1分子で1分子のプロテアーゼを永続的に不活化するため、非可逆的かつ自殺型阻害剤に分類されます。

生物学的機能と分布

ヒトのセルピンの約3分の2は細胞外で機能し、血液などの体液中でプロテアーゼ活性を調節しています。細胞外セルピンは、血液凝固（アンチトロンビン）、炎症や免疫応答（α1-アンチトリプシン、C1阻害因子）、組織修復（PAI-1）といった重要なプロセスに関わるタンパク質分解カスケードを制御します。細胞内セルピンはしばしば複数の機能を持つため標的特定が難しいことがありますが、細胞内での不適切なプロテアーゼ活性を防ぐ重要な役割を担っていると考えられています。例えば、セルピンB9は細胞毒性に関わるグランザイムBを阻害し、不要な細胞死を防ぐ可能性が示されています。

ウイルスも、宿主の免疫や炎症応答を回避するためにセルピンを利用することがあります。牛痘ウイルスのCrmAは、カスパーゼ1などのシステインプロテアーゼを阻害することで、宿主の炎症反応やアポトーシスを抑制します。

プロテアーゼ阻害以外の機能を持つセルピンも重要です。非阻害性の細胞外セルピンであるチロキシン結合グロブリンやトランスコルチンは、それぞれ甲状腺ホルモンやコルチゾールの輸送を担います。オボアルブミンは卵白の主要タンパク質で、胚発生における貯蔵タンパク質と考えられています。ヒートショックプロテイン47は、コラーゲンの適切な折りたたみに必須のシャペロンとして機能します。

セルピンは地球上のあらゆる生物界に分布しており、その多様性は驚くべきものです。哺乳類では多数のセルピン遺伝子が存在し、ヒトだけでも36種類が同定されています。特定の哺乳類に固有のセルピンも存在し、例えば子宮セルピンは一部の哺乳類の子宮内膜で産生され、妊娠維持に関与する可能性が示唆されています。昆虫、線虫、植物、真菌、原核生物、さらにはウイルスにもセルピンが見出され、それぞれが多様な生理機能や防御機能に関わっています。例えば、植物セルピンは昆虫や微生物のプロテアーゼから貯蔵タンパク質を保護する役割を持つと考えられています。真菌のセルピンには、セルロース分解酵素複合体であるセルロソームを保護する機能を持つものもあります。

疾患との関連（セルピン病）

セルピンは非常に多様な生理機能に関わっているため、セルピンをコードする遺伝子に変異が生じると、様々な疾患を引き起こす原因となります。セルピンの機能、標的特異性、あるいは最も一般的な病因である凝集特性に影響を与える変異は、その働きを著しく損ないます。最もよく知られているセルピン関連疾患は、「セルピン病」と呼ばれる、タンパク質が凝集して多量体を形成することに起因するものです。

セルピンの凝集は、その構造的な不安定性、特にエネルギー的に不安定な緊張型から安定な弛緩型への遷移を起こしやすい性質に起因します。疾患を引き起こす変異は、セルピンが適切な標的と反応する前に、不適切にこの構造変化を起こし、不活性な単量体（潜在型など）や凝集体を形成することを促進します。凝集体は非常に安定でプロテアーゼ阻害活性を持たないため、セルピンの機能的欠損を引き起こします。α1-アンチトリプシン欠損症、アンチトロンビン欠損症、遺伝性血管性浮腫（C1阻害因子欠損）、家族性脳症（ニューロセルピン凝集）などが代表的なセルピン病です。

セルピン病の病態は、主に二つのメカニズムによって説明されます。一つは、機能的なセルピンが減少することで、通常は制御されているプロテアーゼ活性が過剰になり、組織の破壊を引き起こすこと。もう一つは、細胞内に蓄積したセルピン凝集体が、タンパク質品質管理を担う小胞体などの細胞内システムを妨害し、細胞死や組織損傷を引き起こすこと。例えば、アンチトリプシン欠損症では、肝細胞内に蓄積したアンチトリプシン凝集体が肝細胞を損傷し、肝硬変の原因となります。

セルピン凝集体の形成は、ドメイン交換と呼ばれるメカニズムで起こると考えられています。これは、セルピン分子の一部（RCLやAシートの一部など）が、別のセルピン分子の構造に誤って組み込まれる現象です。変異や環境要因が、セルピンが正しい立体構造を形成する最終段階を妨げることで発生します。このドメイン交換により形成された二量体や三量体などが、さらなる凝集塊の核となると考えられています。

治療戦略

最も一般的なセルピン病であるα1-アンチトリプシン欠損症に対しては、いくつかの治療法が実用化または研究されています。重度の肺気腫を伴う患者には、ドナー血漿から精製したα1-アンチトリプシンを補充する増強療法が用いられます。重症例では、肺や肝臓の移植も有効な治療法です。動物モデルを用いた研究では、iPS細胞を用いた遺伝子治療が、欠損したセルピンの機能回復に有望な結果を示しています。また、セルピンの凝集を阻害する低分子化合物の開発も進められています。

進化

セルピンはプロテアーゼ阻害剤のスーパーファミリーとして、進化的に極めて古くから存在すると考えられています。当初は真核生物に固有と思われていましたが、後に原核生物やウイルスにも見出されています。細胞内セルピンと細胞外セルピンは、植物と動物の分岐後に独立して分化した可能性が示唆されています。プロテアーゼ阻害機能はセルピンの祖先的な機能であり、非阻害性セルピンは進化の過程で新たな機能を獲得した結果と考えられています。構造的なS-R遷移を起こす能力は、結合した標的に対する親和性を調節するメカニズムとして進化的に適応してきたと言えます。

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