Hsp70
Hsp70（70 kDa熱ショックタンパク質）は、細胞内に普遍的に存在し、生命活動に不可欠な機能を持つタンパク質のグループです。このファミリーに属するタンパク質は、進化的に非常によく保存されており、細菌からヒトに至るまで、 virtually すべての生物に見出されます。Hsp70は、細胞のタンパク質フォールディング機構の根幹をなし、様々なストレス条件下で細胞を保護する重要な役割を担っています。
Hsp70ファミリーのメンバーは、熱ストレスに加え、ヒ素、カドミウム、銅、水銀などの有害な重金属に曝された際に、その発現量が著しく増加する性質があります。この「熱ショック応答」と呼ばれる現象は、1960年代にフェルッチョ・リトッサ氏によって発見されました。彼は、研究員が偶発的にショウジョウバエの飼育温度を上げた際に、染色体上に特定の構造変化（パフ形成）が生じていることに気づきました。このパフ形成は、未知のタンパク質をコードする遺伝子の転写が亢進していることを示唆しており、後の研究でこの応答が熱ショック応答として確立され、関連するタンパク質は熱ショックタンパク質（Hsp）と名付けられました。
Hsp70タンパク質は、複数の機能的なドメインから構成されています。主要なドメインは以下の通りです。
ヌクレオチド結合ドメイン（NBD）：タンパク質のN末端側に位置し、ATP（アデノシン三リン酸）を結合し、これをADP（アデノシン二リン酸）へと加水分解する能力を持っています。このドメインは、二つのローブとその間の深い溝からなり、溝の底部にATPまたはADPが結合します。ATPとADPの結合状態の変化は、Hsp70全体のコンフォメーション（立体構造）に大きな影響を与えます。
基質結合ドメイン（SBD）：タンパク質のC末端側に位置し、標的となるペプチド鎖やタンパク質の部分と結合します。このドメインは、約15 kDaのβシートサブドメインと約10 kDaのヘリックスサブドメインから構成されます。βシートサブドメインは突出したループを持ち、これが基質ペプチドの主鎖を取り囲みます。ヘリックスサブドメインは、βシートサブドメインの「ふた」のように機能し、基質結合ポケットの開閉を制御します。ATPが結合している状態ではこの「ふた」は開いており、ペプチドは比較的容易に結合・解離します。一方、ADPが結合している状態では「ふた」が閉じ、ペプチドは強固に結合されます。
Hsp70は、合成途中の伸長したペプチド鎖や、不完全に折り畳まれたタンパク質（部分的にフォールディングした状態）と選択的に結合することで、細胞内での不要なタンパク質凝集を防ぎます。通常、Hsp70はATP結合状態であり、この状態では基質との結合・解離は比較的迅速に行われます。Hsp70自体のATP加水分解活性は弱いものですが、基質ペプチドがSBDに結合すると、このATPアーゼ活性が促進され、ATPがADPへと速やかに加水分解されます。ATPがADPに変わると、SBDの「ふた」が閉じ、基質はHsp70に強く結合され、その状態が安定化されます。このATP加水分解のプロセスは、Jドメインコシャペロンと呼ばれる補助因子（真核生物のHsp40や原核生物のDnaJなど）によってさらに劇的に加速されます。
タンパク質の合成やフォールディングが完了すると、ヌクレオチド交換因子（原核生物のGrpE、真核生物のBAG1、HspBP1など）が作用し、ADPを解離させて新たなATPの結合を促します。これによりSBDの「ふた」が開き、結合していたタンパク質はHsp70から放出されます。放出されたタンパク質は、その後自力でフォールディングを完了させるか、あるいは他のシャペロンシステム（例えばHsp90など）に引き渡され、さらなる成熟プロセスを経ます。Hopというタンパク質は、Hsp70とHsp90の両方に結合し、Hsp70からHsp90への基質タンパク質の受け渡しを仲介する役割を担います。
Hsp70は、タンパク質が膜を越えて輸送される際にも、部分的に折り畳まれた状態を維持することでそのプロセスを助けます。また、リン酸化修飾を受けることで、その機能が細かく調節されることが知られています。
Hsp70は、損傷したり機能不全に陥ったタンパク質の細胞内での品質管理にも関与します。E3ユビキチンリガーゼであるCHIPと協調して働くことで、Hsp70に結合した異常タンパク質をユビキチン化・分解経路へと導く橋渡しを行います。
さらに、Hsp70は細胞のアポトーシス（プログラムされた細胞死）を直接的に阻害する能力を持っています。アポトーシス誘導経路における重要なステップである、カスパーゼ-9の活性化に関わるアポトソーム複合体（シトクロムcやApaf-1などから構成される）へのプロカスパーゼ-9のリクルートを妨げることで、アポトーシスを抑制します。また、小胞体ストレス応答においても、小胞体ストレスセンサーであるIRE1αと相互作用し、ストレスによるアポトーシスから細胞を保護する役割を果たします。
Hsp70の発現異常は、いくつかの疾患との関連が指摘されています。例えば、悪性黒色腫ではHsp70が過剰に発現している一方、腎細胞がんでは低発現が見られます。乳がん細胞株では、エストロゲン受容体αがHsp70やHsc70と相互作用することが報告されています。
皮膚組織においては、レーザー照射による熱損傷とその後の修復過程でHsp70やHsp47の発現パターンが変化することが示されており、Hsp70は熱損傷領域の範囲を、Hsp47は組織の回復プロセスを反映している可能性が示唆されています。
Hsp70ファミリーは、原核生物と真核生物で異なるメンバーが存在します。
原核生物：主にDnaK、HscA（Hsc66）、HscC（Hsc62）などが知られています。
真核生物：細胞内での局在や機能に応じて複数のメンバーが存在します。恒常的に発現するHsc70（Hsp73/HSPA8）、ストレス応答で誘導されるHsp70（HSPA1A/B/L）、小胞体に局在するBiP（Grp78）、ミトコンドリアに局在するmtHsp70（Grp75）などが代表的です。
Hsp70スーパーファミリーには、より大型のHsp110（Hsp110/Grp170/Sseファミリー）も含まれます。Hsp110ファミリータンパク質は、Hsp70と関連した構造を持ちながら、シャペロン機能、Hsp70のヌクレオチド交換因子としての機能、アンフォルダーゼ活性など、多様な機能を持つことが報告されています。ヒトでは複数のHsp110遺伝子が存在します。
これらの多様なメンバーが協調して働くことで、細胞は健全なタンパク質恒常性を維持し、様々な環境ストレスに適応しています。
発見の経緯
Hsp70ファミリーのメンバーは、熱ストレスに加え、ヒ素、カドミウム、銅、水銀などの有害な重金属に曝された際に、その発現量が著しく増加する性質があります。この「熱ショック応答」と呼ばれる現象は、1960年代にフェルッチョ・リトッサ氏によって発見されました。彼は、研究員が偶発的にショウジョウバエの飼育温度を上げた際に、染色体上に特定の構造変化（パフ形成）が生じていることに気づきました。このパフ形成は、未知のタンパク質をコードする遺伝子の転写が亢進していることを示唆しており、後の研究でこの応答が熱ショック応答として確立され、関連するタンパク質は熱ショックタンパク質（Hsp）と名付けられました。
特徴的な構造
Hsp70タンパク質は、複数の機能的なドメインから構成されています。主要なドメインは以下の通りです。
ヌクレオチド結合ドメイン（NBD）：タンパク質のN末端側に位置し、ATP（アデノシン三リン酸）を結合し、これをADP（アデノシン二リン酸）へと加水分解する能力を持っています。このドメインは、二つのローブとその間の深い溝からなり、溝の底部にATPまたはADPが結合します。ATPとADPの結合状態の変化は、Hsp70全体のコンフォメーション（立体構造）に大きな影響を与えます。
基質結合ドメイン（SBD）：タンパク質のC末端側に位置し、標的となるペプチド鎖やタンパク質の部分と結合します。このドメインは、約15 kDaのβシートサブドメインと約10 kDaのヘリックスサブドメインから構成されます。βシートサブドメインは突出したループを持ち、これが基質ペプチドの主鎖を取り囲みます。ヘリックスサブドメインは、βシートサブドメインの「ふた」のように機能し、基質結合ポケットの開閉を制御します。ATPが結合している状態ではこの「ふた」は開いており、ペプチドは比較的容易に結合・解離します。一方、ADPが結合している状態では「ふた」が閉じ、ペプチドは強固に結合されます。
細胞内での機能と調節
Hsp70は、合成途中の伸長したペプチド鎖や、不完全に折り畳まれたタンパク質（部分的にフォールディングした状態）と選択的に結合することで、細胞内での不要なタンパク質凝集を防ぎます。通常、Hsp70はATP結合状態であり、この状態では基質との結合・解離は比較的迅速に行われます。Hsp70自体のATP加水分解活性は弱いものですが、基質ペプチドがSBDに結合すると、このATPアーゼ活性が促進され、ATPがADPへと速やかに加水分解されます。ATPがADPに変わると、SBDの「ふた」が閉じ、基質はHsp70に強く結合され、その状態が安定化されます。このATP加水分解のプロセスは、Jドメインコシャペロンと呼ばれる補助因子（真核生物のHsp40や原核生物のDnaJなど）によってさらに劇的に加速されます。
タンパク質の合成やフォールディングが完了すると、ヌクレオチド交換因子（原核生物のGrpE、真核生物のBAG1、HspBP1など）が作用し、ADPを解離させて新たなATPの結合を促します。これによりSBDの「ふた」が開き、結合していたタンパク質はHsp70から放出されます。放出されたタンパク質は、その後自力でフォールディングを完了させるか、あるいは他のシャペロンシステム（例えばHsp90など）に引き渡され、さらなる成熟プロセスを経ます。Hopというタンパク質は、Hsp70とHsp90の両方に結合し、Hsp70からHsp90への基質タンパク質の受け渡しを仲介する役割を担います。
Hsp70は、タンパク質が膜を越えて輸送される際にも、部分的に折り畳まれた状態を維持することでそのプロセスを助けます。また、リン酸化修飾を受けることで、その機能が細かく調節されることが知られています。
その他の役割と疾患との関連
Hsp70は、損傷したり機能不全に陥ったタンパク質の細胞内での品質管理にも関与します。E3ユビキチンリガーゼであるCHIPと協調して働くことで、Hsp70に結合した異常タンパク質をユビキチン化・分解経路へと導く橋渡しを行います。
さらに、Hsp70は細胞のアポトーシス（プログラムされた細胞死）を直接的に阻害する能力を持っています。アポトーシス誘導経路における重要なステップである、カスパーゼ-9の活性化に関わるアポトソーム複合体（シトクロムcやApaf-1などから構成される）へのプロカスパーゼ-9のリクルートを妨げることで、アポトーシスを抑制します。また、小胞体ストレス応答においても、小胞体ストレスセンサーであるIRE1αと相互作用し、ストレスによるアポトーシスから細胞を保護する役割を果たします。
Hsp70の発現異常は、いくつかの疾患との関連が指摘されています。例えば、悪性黒色腫ではHsp70が過剰に発現している一方、腎細胞がんでは低発現が見られます。乳がん細胞株では、エストロゲン受容体αがHsp70やHsc70と相互作用することが報告されています。
皮膚組織においては、レーザー照射による熱損傷とその後の修復過程でHsp70やHsp47の発現パターンが変化することが示されており、Hsp70は熱損傷領域の範囲を、Hsp47は組織の回復プロセスを反映している可能性が示唆されています。
ファミリーの多様性
Hsp70ファミリーは、原核生物と真核生物で異なるメンバーが存在します。
原核生物：主にDnaK、HscA（Hsc66）、HscC（Hsc62）などが知られています。
真核生物：細胞内での局在や機能に応じて複数のメンバーが存在します。恒常的に発現するHsc70（Hsp73/HSPA8）、ストレス応答で誘導されるHsp70（HSPA1A/B/L）、小胞体に局在するBiP（Grp78）、ミトコンドリアに局在するmtHsp70（Grp75）などが代表的です。
Hsp70スーパーファミリーには、より大型のHsp110（Hsp110/Grp170/Sseファミリー）も含まれます。Hsp110ファミリータンパク質は、Hsp70と関連した構造を持ちながら、シャペロン機能、Hsp70のヌクレオチド交換因子としての機能、アンフォルダーゼ活性など、多様な機能を持つことが報告されています。ヒトでは複数のHsp110遺伝子が存在します。
これらの多様なメンバーが協調して働くことで、細胞は健全なタンパク質恒常性を維持し、様々な環境ストレスに適応しています。
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