トロンビン

トロンビン (Thrombin)

トロンビンは、血液が固まる現象、すなわち血液凝固において中心的な役割を果たす酵素（セリンプロテアーゼ）の一つです。凝固第IIa因子とも呼ばれます。その主要な機能は、血液中に存在する可溶性のタンパク質であるフィブリノゲンを、不溶性の網目構造を形成するフィブリンへと変換することです。このフィブリンが血小板などと共に血栓の主要な構成要素となります。トロンビンはEC 3.4.21.5に分類され、ヒトにおいては11番染色体のF2遺伝子にコードされています。

生成と生理学

トロンビンは、その不活性な前駆体であるプロトロンビン（凝固第II因子）から生成されます。プロトロンビンは、活性化された凝固第X因子（第Xa因子）によって特定の2箇所のペプチド結合で切断されることで活性型のトロンビンとなります。この過程は、活性化された凝固第V因子（第Va因子）が結合して形成される「プロトロンビナーゼ複合体」によってその活性が劇的に向上します。

プロトロンビンは主に肝臓で合成されます。合成後、翻訳と同時にビタミンKに依存した修飾を受けます。この修飾により、プロトロンビンのN末端付近にある10〜12個のグルタミン酸残基が、γ-カルボキシグルタミン酸（Gla）残基へと変換されます。Gla残基はカルシウムイオンの存在下でプロトロンビンがリン脂質膜に結合するのを助け、凝固カスケードにおける正しい位置での活性化を促進します。ビタミンKの欠乏や抗凝固薬であるワルファリンの投与は、このGla残基の形成を阻害し、血液凝固能を低下させます。

健康な成人の血中トロンビン活性はおよそ1.1 units/mLですが、新生児期には低く（出生後1日で約0.5 units/mL）、生後6ヶ月頃には0.9 units/mLへと上昇し、成人レベルに達するまで徐々に増加します。

作用機構

トロンビンは血液凝固カスケードにおいて、フィブリノゲンをフィブリンに変換するだけでなく、様々な凝固因子を活性化する役割も担います。具体的には、凝固第XI因子を第XIa因子へ、凝固第VIII因子を第VIIIa因子へ、凝固第V因子を第Va因子へと変換します。また、フィブリンの網目構造を安定化させる凝固第XIII因子を活性化し、第XIIIa因子とします。第XIIIa因子はフィブリン分子間の共有結合（イソペプチド結合）形成を触媒し、より強固な血栓を形成させます。

トロンビンは血小板の活性化と凝集も強力に促進します。血小板表面にある特定のプロテアーゼ活性化受容体（PARs、特にPAR-1、PAR-3、PAR-4）に結合してこれを切断することで、血小板内部にシグナルを伝達し、血小板を活性化させ、他の血小板と凝集するよう促します。

調節機構

トロンビンは自身の過剰な働きを抑えるための複数のネガティブフィードバック機構によって厳密に調節されています。その一つに、血管内皮細胞に発現する膜貫通タンパク質であるトロンボモジュリンとの相互作用があります。トロンボモジュリンに結合したトロンビンは、血液凝固カスケードを阻害する別のタンパク質であるプロテインCを効率的に活性化します。活性化されたプロテインCは、凝固第Va因子と凝固第VIIIa因子を不活性化することで、トロンビンの生成自体を抑制します。プロテインSは活性化プロテインCの補因子として働き、その作用を増強します。また、トロンビンはセリンプロテアーゼ阻害因子であるアンチトロンビンによっても直接的に不活性化されます。

構造

プロトロンビンは分子量約72,000の単鎖ポリペプチドです。N末端のGlaドメイン、2つのクリングルドメイン、そしてC末端のトリプシン様セリンプロテアーゼドメインという、機能的に異なる4つのドメインから構成されます。活性化される際には、プロトロンビナーゼ複合体による切断を受け、フラグメント1.2（Glaドメインと2つのクリングルドメイン）と、分子量約36,000の活性型トロンビン（セリンプロテアーゼドメインが主体）に分かれます。

活性型トロンビンは、セリンプロテアーゼに特徴的な触媒トライアッドを持ちますが、その活性化の機構は複雑です。プロトロンビンの切断によって露出する新たなN末端のイソロイシンのアミノ基が、触媒活性を持つコンフォメーションを安定させるのに重要と考えられています。結晶構造解析や水素重水素交換質量分析などの研究から、トロンボモジュリンのような結合相手がトロンビンのN末端領域の構造変化を誘導し、その活性を促進するアロステリックな作用が示唆されています。

遺伝子と関連疾患

プロトロンビンをコードするF2遺伝子は、ヒトの11番染色体（11p11-q12）に位置しています。この遺伝子の異常は、様々な凝固異常症の原因となります。

先天性の凝固第II因子欠乏症は非常に稀な疾患ですが、より一般的で血栓症のリスクとなる変異として、プロトロンビン遺伝子のG20210A変異が知られています。この変異を持つとプロトロンビンの合成量が増加し、血栓症（特に静脈血栓症）のリスクが高まります。G20210A変異は通常ヘテロ接合型で遺伝しますが、ホモ接合型も存在し、リスクはさらに上昇します。この変異は他の凝固因子変異（特に第V因子ライデン変異）と同時に存在することもあり、血栓症リスクをさらに高める可能性があります。経口避妊薬の使用も、この変異を持つ人における血栓症リスクを増加させる要因となり得ます。

疾患におけるトロンビンの役割は多岐にわたります。プロトロンビン量の低下は低プロトロンビン血症を引き起こし、出血傾向の原因となります。一方、自己免疫疾患においては、抗プロトロンビン抗体が形成されることがあり、これは抗リン脂質抗体症候群の一部として認識され、血栓症のリスクを高めることがあります。G20210A変異による高プロトロンビン血症も同様に血栓症リスク因子です。

凝固反応以外でも、トロンビンは血管系に影響を与えます。強力な血管収縮作用や細胞増殖作用を持ち、特にクモ膜下出血後の脳血管攣縮の主要な原因物質の一つと考えられています。動脈瘤破裂による血液がトロンビンを放出し、これが血管を収縮させることで、脳虚血や脳梗塞を引き起こす可能性があります。また、トロンビンは炎症促進作用も有しており、アテローム性動脈硬化の発生や進行にも関与することが示唆されています。血管壁細胞表面のPARsを介して、炎症反応、白血球の血管壁への浸潤、酸化ストレス、血管平滑筋細胞の異常な振る舞いなどを引き起こす可能性があります。

トロンビンは血栓の存在を示すマーカーともなり得ます。2013年には、マウスにおいてトロンビンを感知し、尿中に排泄されるレポーターを放出するシステムが開発されており、血栓の非侵襲的な検出法として期待されています（ヒトでの試験はまだ行われていません）。

応用

トロンビンは研究ツールとしても、医療分野でも、さらには食品産業でも利用されています。

研究ツール

トロンビンは特定のペプチド配列（L-V-P-R-G-S）を高特異的に切断するため、組換えタンパク質の研究において有用です。融合タンパク質の精製後、この配列にトロンビンを作用させることで、目的のタンパク質から不要な精製タグを高効率かつ特異的に除去することができます。

医療

プロトロンビン濃縮製剤や新鮮凍結血漿は、プロトロンビンを含む複数の凝固因子が豊富に含まれており、プロトロンビン欠乏症（特にワルファリン療法に伴うもの）による出血の治療や予防に用いられます。

多くの抗凝固薬はトロンビンの生成や働きを標的とします。ワルファリンはプロトロンビンを含むビタミンK依存性凝固因子の合成を阻害します。ヘパリンはアンチトロンビンの作用を増強し、トロンビンなどを不活性化します。また、近年開発された直接トロンビン阻害剤は、トロンビンの活性部位に直接結合してその働きを妨げます。

組換えトロンビンは、手術中の微量出血に対する止血補助薬として外用で用いられることがあります。毛細血管や細静脈からの出血には有効ですが、大量出血や動脈性の出血には効果が限定的です。

食品生産

トロンビンはフィブリノゲンと組み合わせて、食肉の結着剤として利用されることがあります（例: Fibrimex）。ブタやウシの血液由来のこれらのタンパク質は、異なる種類の肉片（牛肉と魚肉など）を結着させたり、規格外の肉片をまとめて整形したりすることを可能にします。これにより、生産コストを削減できる可能性があります。しかし、消費者からは、見た目で「再構成肉」と「一枚肉」を区別することが難しくなり、誤解を招く懸念も示されています。

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