Bcl-2ファミリー

Bcl-2ファミリー

Bcl-2ファミリーは、進化の過程で高度に保存されてきたタンパク質群であり、その主要な特徴はBcl-2相同ドメイン（BHドメイン）を一つ以上持つことです。これらのタンパク質は、生物におけるプログラム細胞死、とりわけアポトーシスと呼ばれるプロセスを調節する上で極めて重要な機能を担っています。特に、アポトーシスの進行に不可欠な内因性経路において、ミトコンドリア外膜の透過性を制御する重要なステップであるMOMP（Mitochondrial Outer Membrane Permeabilization）を司ります。Bcl-2ファミリーのメンバーは、アポトーシスを促進するものと、これを抑制するものの二つに大別され、細胞の生と死のバランスを巧妙に制御しています。2008年の研究段階で、このファミリーに属する遺伝子は少なくとも25種類が同定されています。

構造的特徴

Bcl-2ファミリータンパク質は、一般的に疎水性のαヘリックスが両親媒性のαヘリックスによって取り囲まれた特徴的な構造を有しています。ファミリーメンバーの中には、そのC末端に膜貫通ドメインを持つものがあり、この部分は主にタンパク質をミトコンドリアなどの細胞内膜に局在させる役割を果たします。例えば、Bcl-xLは233個のアミノ酸残基から構成され、210番から226番目の領域には非常に疎水的な部分が存在し、これが膜貫通αヘリックスとして機能すると考えられています。Bcl-xLと構造的な類似性を持つBaxやBakもアポトーシスに影響を与えるタンパク質です。ヒトBcl-xLの単量体可溶型構造は、X線結晶構造解析やNMRによって高い解像度で決定されており、その中心構造である2つの疎水性αヘリックスが両親媒性ヘリックスで囲まれた配置は、ジフテリア毒素やコリシンといった細菌毒素と構造的に類似しています。これらの毒素が脂質二重層にポアを形成することから、BH1およびBH2ドメインを持つBcl-2ファミリーのメンバー（Bcl-xL、Bcl-2、Baxなど）も同様の膜ポア形成能力を持つ可能性が示唆されています。

BHドメインとその分類

Bcl-2ファミリーに属するタンパク質は、BH1、BH2、BH3、BH4と呼ばれる4種類のBHドメインを一つ以上有することが定義上の特徴です。これらのドメインは、各タンパク質の機能発現に不可欠であり、これらのドメインの欠損は細胞の生存およびアポトーシスの割合に重大な影響を及ぼします。アポトーシスを抑制する働きを持つBcl-2やBcl-xLなどのタンパク質は、通常、全ての4つのBHドメインを保持しています。一方、アポトーシスを促進するBcl-2タンパク質は、複数のBHドメインを持つタイプ（例：Bax、Bak）と、BH3ドメインのみを持つタイプ（例：Bim、Bid、Bad）に分類されます。全てのBcl-2ファミリーメンバーは、いずれかのBHドメインを必ず持っています。抗アポトーシス性タンパク質は例外なくBH1とBH2ドメインを持ち、Bcl-2、Bcl-xL、Bcl-wといった一部のメンバーはさらにN末端にBH4ドメインを備えています。アポトーシス促進性タンパク質は全てBH3ドメインを持ち、このドメインは他のBcl-2ファミリーメンバーとの結合（二量体形成）や細胞死誘導活性において中心的な役割を果たします。BaxやBakのようなアポトーシス促進性タンパク質の一部は、BH1およびBH2ドメインも有しています。興味深いことに、BH3ドメインはBcl-2やBcl-xLといった一部の抗アポトーシス性タンパク質にも存在します。BH1、BH2、BH3ドメインは空間的に近接しており、他のBcl-2ファミリーメンバーが結合するための長い溝状の構造を形成する可能性が示唆されています。

機能と作用機序

アポトーシスは、成長因子の欠乏や毒素への曝露など、様々な細胞内外からの刺激によって引き起こされます。この過程は精密な調節因子によって制御されており、これらの因子はプログラム細胞死を直接的に阻害したり、あるいは細胞死抑制因子の保護作用を打ち消したりします。多くのウイルスは、宿主細胞の早期死を防ぐために、自身で抗アポトーシス遺伝子を持つことで、アポトーシスによる宿主防御機構に対抗する戦略を進化させてきました。哺乳類細胞におけるプログラム細胞死の調節において、Bcl-xは特に重要な役割を果たします。Bcl-xには選択的スプライシングによって生成される複数のアイソフォームがあり、長いBcl-xLは細胞死抑制作用を示しますが、短いBcl-xSやβアイソフォーム（Bcl-xβ）は逆に細胞死を促進します。

Bcl-2ファミリータンパク質がどのようにアポトーシスを促進または抑制するかについては複数のメカニズムが提唱されています。主要な仮説の一つは、ミトコンドリアマトリックス内のCa2+濃度、pH、膜電位を調節するミトコンドリア膜透過性遷移孔（MPTP）の活性化または不活性化を介して細胞死が制御されるというものです。また、Bcl-2ファミリータンパク質が、アポトーシス実行シグナル分子であるシトクロムcのミトコンドリアから細胞質への放出を促進または阻害するという説が有力です。細胞質に放出されたシトクロムcは、カスパーゼ-9やカスパーゼ-3といった細胞死実行カスパーゼを活性化し、アポトーシスを引き起こします。シトクロムcの放出はミトコンドリア内膜のMPTPによって間接的に媒介される可能性も示唆されていましたが、現在では、ミトコンドリア外膜に形成されるミトコンドリアアポトーシス誘導性チャネル（MAC）の関与を示す強い証拠が得られています。さらに、Rhoタンパク質がBcl-2、Mcl-1、BidといったBcl-2ファミリーメンバーの活性化に関与する可能性も示されています。Rhoの働きを阻害すると、抗アポトーシス性であるBcl-2とMcl-1の発現量が減少し、アポトーシス促進性であるBidのタンパク質レベルが増加することが報告されています。ヒト培養内皮細胞を用いた実験では、Rhoの阻害がカスパーゼ-9およびカスパーゼ-3に依存的なアポトーシスを誘導することが確認されています。

主な作用部位

Bcl-2ファミリーのタンパク質の主要な作用部位は、動物細胞におけるミトコンドリア外膜です。ここで、これらのタンパク質はしばしば電位依存性アニオンチャネル（VDAC）と複合体を形成すると考えられています。特に、Bcl-2とVDAC1やVDAC3由来ペプチドとの相互作用は、シトクロムcの放出を阻害することによる細胞保護作用に関連しています。再構成された脂質二重層を用いた実験では、精製されたVDACとBcl-2が直接相互作用し、Bcl-2がVDACチャネルの伝導性を低下させることが示されています。ミトコンドリア内部には、アポトーシス誘導因子であるシトクロムc、Smac/Diablo、Omiなどが蓄えられており、これらが外部に放出されると、アポトーシスを実行するカスパーゼが活性化されます。Bcl-2ファミリーのタンパク質は、その機能に応じて、これらの因子の放出を促進するか、あるいはミトコンドリア内に留めるかのどちらかの働きをします。アポトーシス促進性のBakやBaxは、活性化されるとMACを形成し、シトクロムcの放出を仲介すると考えられています。一方、抗アポトーシス性のBcl-2は、おそらくBakやBaxの活性を阻害することによって、この放出プロセスを阻止すると推測されています。Bcl-2ファミリータンパク質は、ミトコンドリア外膜だけでなく、核膜など他の細胞内膜にも存在し、生体内の様々な組織に広く分布しています。これらのタンパク質が人工脂質二重層中でオリゴマー化し、ポアを形成する能力を持つことは報告されていますが、この生体内での生理的な重要性についてはまだ完全には明らかになっていません。各メンバーは、特定のイオン選択性を示すなど、それぞれ固有の性質を持っています。

BH3-onlyファミリー

Bcl-2ファミリーの中には、BH3ドメインを一つのみ持つサブファミリーが存在します。これらのBH3-onlyタンパク質は、アポトーシスの促進において特に重要な役割を果たします。代表的なBH3-onlyファミリーのメンバーには、Bim、Bid、Badなどが含まれます。様々なアポトーシス刺激に応答して、特定のBH3-onlyファミリーメンバーの発現が誘導されたり、これらのタンパク質が活性化されたりします。活性化されたBH3-onlyタンパク質はミトコンドリアへと移行し、BaxやBakといった多ドメイン型のアポトーシス促進性Bcl-2ファミリータンパク質を活性化することで、アポトーシスの開始を促す主要な引き金となります。

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