SNAREタンパク質

SNAREタンパク質

SNAREタンパク質（スネアタンパク質）は、細胞内の小胞（ヴェシクル）が、リソソームなどの特定の膜結合性区画へ結合し、融合する過程（小胞融合）を仲介する機能を持つ一群のタンパク質です。酵母では少なくとも24種類、哺乳類細胞では60種類以上のメンバーが同定されており、これらが集まってSNARE複合体を形成します。

最もよく研究されているSNAREタンパク質は、神経細胞において、神経伝達物質を含むシナプス小胞が細胞膜（シナプス前膜）へ融合し、内容物を放出するエキソサイトーシスに関わるものです。また、SNAREタンパク質は、ボツリヌス症や破傷風を引き起こすことで知られる特定の細菌が産生する神経毒の主要な標的としても重要視されています。

分類

SNAREタンパク質は、その機能や局在に基づいて分類されます。伝統的な分類では、輸送される小胞の膜に存在するものを「v-SNARE」（vesicle-SNARE）、標的となる膜に存在するものを「t-SNARE」（target-SNARE）と呼びます。t-SNAREは互いに安定な複合体を形成し、v-SNAREとの結合を導く役割を持つと考えられています。ただし、一部のSNAREタンパク質は小胞と標的膜の両方に存在することから、近年では構造的な特徴に基づいた「R-SNARE」と「Q-SNARE」という分類が用いられるようになりました。多くの場合、R-SNAREがv-SNAREとして、Q-SNAREがt-SNAREとして機能します。

R-SNAREは、形成されるSNARE複合体の中心的な構造である4本のαヘリックスからなる「4-ヘリックスバンドル」において、「zero ionic layer」と呼ばれる電荷的に中性の層を形成する際に、アルギニン（R）残基を提供するタンパク質です。代表的なR-SNAREとしては、シナプス小胞に存在するシナプトブレビン（VAMPとも呼ばれます）が挙げられます。一方、Q-SNAREは、同じzero ionic layerの形成にグルタミン（Q）残基を提供します。これには、シンタキシンやSNAP-25などが含まれます。Q-SNAREは、4-ヘリックスバンドル内での位置によってQa、Qb、Qcにさらに細分化されます。

構造

SNAREタンパク質は、比較的分子量が小さく、細胞内に豊富に存在するタンパク質です。その多くは「尾部アンカー型タンパク質」であり、C末端に存在する膜貫通ドメインが翻訳後に膜へと挿入されることで膜に結合しています。しかし、既知の約38種類のSNAREのうち、SNAP-25を含む7つは膜貫通ドメインを持たず、代わりにパルミトイル化などの脂質修飾を介して膜に結合します。SNAREタンパク質の膜への局在は非常に特異的であり、各SNAREは特定の細胞内膜（細胞膜、小胞体、ミトコンドリア、ペルオキシソームなど）を標的とします。この局在特異性は、C末端近傍のアミノ酸組成や膜貫通ドメインの長さ、あるいは脂質アンカーの種類などによって影響を受けます。

SNAREタンパク質の構造やサイズは多様ですが、その細胞質側ドメインには、共通して約60〜70アミノ酸からなる「SNAREモチーフ」が存在します。このモチーフには、「ヘパタッドリピート」（7アミノ酸の繰り返し構造）が含まれており、これが集合してコイルドコイル構造を形成します。
v-SNAREとt-SNAREのSNAREモチーフは可逆的に相互作用し、「トランスSNARE複合体」と呼ばれる強固な4-ヘリックスバンドルを形成します。特に神経シナプスでは、シナプス小胞膜上のシナプトブレビンと、シナプス前膜上のシンタキシンおよびSNAP-25が結合して、準安定なトランスSNARE複合体を容易に形成します。シンタキシンとシナプトブレビンはそれぞれのC末端の膜貫通ドメインで膜に固定されていますが、SNAP-25は複数のシステイン残基に結合したパルミトイル鎖によって細胞膜に結合しています。この複合体では、シンタキシンとシナプトブレビンがそれぞれ1本のαヘリックスを、SNAP-25が2本のαヘリックスを提供し、合計4本のαヘリックスからなるバンドルが形成されます。シナプス前膜上のSNAREは、機能的な微小ドメインやクラスターを形成することが知られており、これらはエキソサイトーシスに不可欠です。

膜融合のメカニズム

小胞が標的膜と融合する過程は、SNAREタンパク質の働きによって進行します。まず、別々の膜上に存在するv-SNAREとt-SNAREが相互作用して、膜間を架橋する「トランスSNARE複合体」（SNAREpinとも呼ばれます）を形成します。この複合体は、膜融合の段階によって異なる名称で呼ばれることがあります。膜融合が完了すると、SNAREタンパク質は全て同じ融合膜上に存在することになるため、この状態の複合体は「シスSNARE複合体」と呼ばれます。融合後、シスSNARE複合体はアダプタータンパク質であるαSNAPによって認識され、六量体AAA-ATPアーゼであるNSFがATP加水分解のエネルギーを利用してSNAREタンパク質を解きほぐし、リサイクルのために細胞質へ放出します。

SNAREタンパク質は、膜融合装置の核となる要素と考えられています。細胞質の補助タンパク質がなくとも、SNAREドメインを細胞外に配置した人工的な系では、SNARE同士の相互作用だけで細胞融合が誘導されることが実験的に示されており、SNARE自体が融合を駆動する能力を持っていることが裏付けられています。

複合体の組み立て

SNAREタンパク質が膜融合に必要な力を生み出すためには、まずトランスSNARE複合体として適切に組み立てられる必要があります。シナプトブレビン、シンタキシン、SNAP-25（2本のヘリックス）が集合し、4本のαヘリックスからなるコイルドコイルモチーフを形成します。この組み立て過程における律速段階の一つは、シンタキシンのSNAREドメインの結合であると考えられています。シンタキシンのSNAREドメインは通常、「閉じた」自己阻害的な構造をとっており、他のSNAREタンパク質との相互作用が制限されています。この構造が「開いた」状態になることで、各SNAREタンパク質のN末端側から順に結合が始まり、C末端側へ向かってヘリックスが巻き付いていくようにしてトランスSNARE複合体が形成されます。

SMタンパク質（Sec1/Munc18様タンパク質）であるMunc18は、SNARE複合体の組み立てに関与することが示唆されていますが、その正確な機構は依然として議論の的です。Munc18はシンタキシンの閉じた構造に結合して安定化させることで、SNARE複合体形成を阻害する一方、形成された4-ヘリックスバンドルにも結合できます。一つの仮説では、Munc18はまずシンタキシンの閉じた構造を解放するが、シンタキシンのN末端ペプチドとの結合を維持し、その後、新たに形成されたSNARE複合体全体に結合し直すという解離-再結合機構が提唱されています。この機構はカルシウム依存的である可能性も示唆されており、Munc18がSNARE複合体形成の開始を制御しつつ、一旦開始された融合を促進する触媒として働くという調節機能を示唆しています。

ジッパリングと融合孔開口

膜の融合は、膜を構成する脂質やタンパク質の再配置、脂質二重層の破壊と再構築を伴う、エネルギーを必要とするプロセスです。特に、互いに反発し合う2つの膜を極めて近接させるためには、エネルギーの入力が不可欠です。SNAREタンパク質は、自身が複合体を形成する際に放出するエネルギーを利用して、この膜の近接と融合を駆動すると考えられています。現在の最も有力なモデルでは、トランスSNARE複合体がより安定なシスSNARE複合体へと構造変化する過程、すなわちSNARE複合体の「ジッパリング」が、融合の原動力となります。

トランスSNARE複合体が形成された時点では、SNAREタンパク質はまだ異なる膜に固定されています。SNAREのヘリックスバンドルがN末端側からC末端側へ向かってさらに緊密に巻き付いていく過程（ジッパリング）で、大きなエネルギーが放出されます。このエネルギーは、膜貫通ドメインとヘリックスバンドル間のリンカー領域に生じる「屈曲ストレス」として一時的に蓄えられると考えられています。このエネルギー的に不利なストレスは、複合体が膜融合部位の中心に向かってジッパーを閉じることで解消されます。結果として放出されたエネルギーが、小胞膜と細胞膜間の静電的な反発力を乗り越える力を提供し、2つの膜は互いに強く引き寄せられます。

膜が十分に近接した後、融合孔が開口するまでの詳細な過程については複数のモデルが提唱されており、未だ議論の余地があります。「ジッパー」仮説では、ヘリックスバンドルの緊密化がシナプトブレビンとシンタキシンの膜貫通ドメインにねじれ力を加え、膜内で傾かせることで膜を不安定化させ、融合を引き起こすと考えられています。別のモデルでは、膜が非常に近接した際に、一部の脂質分子が両方の膜に尾部を差し込む「広がった脂質」中間状態を形成し、この状態が融合の律速段階となるエネルギー障壁であると説明されます。SNARE複合体のジッパリングは、膜を強く引き寄せることでこの中間状態への移行を促進し、融合を駆動すると考えられます。

複合体の解体

膜融合が成功裏に完了した後、SNARE複合体（シスSNARE複合体）は次の融合サイクルに備えて解体される必要があります。この解体は、SNAREを介した膜融合に必要なエネルギーが供給される過程とも関連しています。解体は、NSF（N-ethylmaleimide-sensitive factor）というAAA-ATPアーゼと、その補助因子であるαSNAP（soluble NSF attachment protein）の働きによって行われます。NSFはATPの加水分解エネルギーを利用して、αSNAPを介してシスSNARE複合体に結合し、SNAREタンパク質のヘリックスバンドルをほどいて個々のタンパク質に分離します。この解体によって、シナプトブレビンは小胞膜に戻り、他のSNAREは標的膜に残ることで、次の融合に備えたリサイクルが可能です。

解体されたSNAREタンパク質は、安定なシスSNARE複合体よりも高エネルギー状態にあります。これは、NSFによるATP加水分解のエネルギーがSNAREタンパク質の構造に蓄えられた状態と見なすことができます。膜融合は、この高エネルギー状態のSNAREが低エネルギー状態のシス複合体へと移行する際に放出されるエネルギーによって駆動されます。NSFによる複合体の解体は、「銃の撃鉄を起こす」作業に例えられ、次に引き金（カルシウム流入など）が引かれたときに自発的に融合が進行するためのエネルギー的な準備であると考えられています。

機能の調節

SNAREタンパク質の機能は、様々なメカニズムによって厳密に調節されています。

SNAP-25のパルミトイル化

Q-SNAREの一つであるSNAP-25は、膜貫通ドメインを持たず、代わりに柔軟なリンカー領域に存在するシステイン残基へのパルミトイル化（脂肪酸の付加）を介して細胞膜に結合します。この脂質修飾は、SNAP-25の標的膜（特にコレステロールに富む脂質ラフトのようなマイクロドメイン）への局在を制御し、ひいてはSNARE複合体形成の場所を限定することで、エキソサイトーシスを空間的に調節する役割を持つと考えられています。パルミトイル化はDHHCパルミトイルトランスフェラーゼによって触媒され、その逆反応（脱パルミトイル化）はパルミトイルタンパク質チオエステラーゼによって行われます。

電位依存性カルシウムチャネルとの連携

神経軸索終末では、活動電位による膜の脱分極が電位依存性カルシウムチャネル（VGCC）を開口させ、カルシウムイオンの急速な流入を引き起こします。このカルシウム流入が、シナプトタグミンなどのカルシウムセンサーを介してエキソサイトーシスを促進しますが、SNAP-25はVGCCと直接相互作用し、その機能を負に制御することが示されています。SNAP-25がVGCCの電流密度を減少させることで、シナプトタグミンへのカルシウム結合量が減り、結果として神経伝達物質の放出量が調節されます。SNAP-25の発現異常は、注意欠陥・多動性障害（ADHD）や統合失調症といった神経疾患との関連が示唆されています。

シンタキシンのHabcドメイン

シンタキシンタンパク質は、膜貫通ドメイン、SNAREドメインに加え、「Habcドメイン」と呼ばれる3つのαヘリックスからなる領域を持っています。このHabcドメインは、シンタキシンのSNAREドメインに折り返して結合することで、シンタキシンを「閉じた」自己阻害状態に保ち、他のSNAREタンパク質との結合を物理的に妨げます。HabcドメインがSNAREドメインから解離してシンタキシンが「開いた」状態になることが、SNARE複合体形成の重要な制御ポイントとなります。

シナプス小胞の即時放出可能プール（RRP）調節

シンタキシンには多くのサブタイプが存在します。シンタキシン1Bは、軸索終末において、エキソサイトーシス準備状態にあるシナプス小胞の集団である「即時放出可能プール（RRP）」のサイズを調節する機能を持つことが示されています。シンタキシン1Bの欠失はRRPサイズを著しく減少させることが、ノックアウト研究によって確認されています。

毒素による影響

ボツリヌス毒素（BoNT）やテタヌス毒素（TeNT）といった細菌性の神経毒は、SNAREタンパク質を特異的に切断するプロテアーゼであり、SNARE複合体の形成や解体を阻害することで神経機能を麻痺させます。これらの毒素は、重鎖と軽鎖から構成され、軽鎖が毒性（プロテアーゼ活性）を担います。毒素の作用は、神経細胞膜への結合、細胞内への取り込み（エンドサイトーシス）、膜を越えた細胞質への移行、そしてSNAREタンパク質の切断という段階を経て進行します。

BoNTは8つの既知のアイソタイプ（A〜H）があり、それぞれ異なるSNAREタンパク質の特定の部位を切断します。例えば、BoNT/A、/C、/Eはシナプス前膜のSNAP-25を、BoNT/Cはシンタキシン1をも切断します。BoNT/B、/D、/Fはシナプス小胞のシナプトブレビン（VAMP2）を切断します。これらの切断は、SNARE複合体の形成を強力に阻害し、神経伝達物質の放出を停止させます。結果として、筋収縮のシグナル伝達が遮断され、麻痺を引き起こします。TeNTは主にシナプトブレビン（特にGln76-Phe77結合）を切断することで作用し、同様に神経伝達物質放出を阻害しますが、その毒性は特定の神経回路（抑制性介在ニューロン）に選択的に作用するため、痙攣などの異なる症状を引き起こします。

これらの毒素がSNARE機能を不可逆的に損傷させることは、重篤な結果をもたらしますが、その特異的な作用は、医療や美容分野での応用（例: ボトックス治療）にも利用されています。

神経伝達物質の放出における役割

SNAREタンパク質は、神経伝達物質放出という精密に制御されたプロセスにおいて中心的な役割を担います。神経伝達物質はシナプス前終末の小胞に貯蔵されており、活動電位に応答してシナプス間隙へ放出されます。

この過程は段階的に進行します。まず、「テザリング」段階で小胞がアクティブゾーンと呼ばれる放出部位の近くに引き寄せられ、膜と物理的に接触します。Munc18は初期段階でシンタキシンに結合し、その構造を調節します。次に、「ドッキング」段階でv-SNAREとt-SNAREがカルシウム非依存的に一過的に結合し、小胞が膜に固定されます。続いて「プライミング」段階では、SNAREモチーフが安定した相互作用を形成し、小胞は融合準備状態となります。コンプレキシンはプライミングされたSNARE複合体を安定化させ、融合を抑制する役割を持つと考えられています。

アクティブゾーンには電位依存性カルシウムチャネルが高密度に存在し、脱分極に応答して開口します。流入したカルシウムイオンはシナプトタグミン1に結合し、これがコンプレキシンを排除するなどしてSNARE複合体のジッパリングを進行させ、膜融合と神経伝達物質放出の引き金となります。VGCCはSNAREやシナプトタグミンとも直接相互作用し、これらの分子を放出部位に効率的に配置する役割も果たします。SNARE関連遺伝子の変異や発現異常は、統合失調症、自閉症スペクトラム、双極性障害など、様々な神経疾患との関連が報告されています。

オートファジーにおける役割

SNAREタンパク質は、細胞内の不要な成分を分解するオートファジーの過程にも深く関与しています。特に、マクロオートファジーにおいて、細胞質の一部を隔離膜（ファゴフォア）と呼ばれる二重膜構造が取り囲み、最終的にオートファゴソームが形成されます。この隔離膜の形成開始と伸長には、小胞の膜供給が重要であり、SNAREはその過程を仲介します。例えば、哺乳類ではVAMP7を含む小型小胞のホモ型融合が隔離膜形成に関与する可能性が示唆されています。

さらに、SNAREはオートファジーの最終段階である、オートファゴソームとリソソームの融合にも不可欠です。哺乳類ではVAMP7、VAMP8、VTI1B、そしてオートファゴソーム膜に特異的に局在するシンタキシン17などのSNAREがこの融合を媒介します。これらのSNAREや関連タンパク質（例: 酵母のVam3、Vam7、Ypt7、Sec18）の機能不全は、オートファゴソームのリソソームとの融合を阻害し、リソソーム蓄積症の原因となることもあります。

SNAREタンパク質は、細胞内の多様な膜融合プロセスにおいて、その構造的な多様性と精密な調節機構を駆使して中心的な役割を果たしており、細胞の恒常性維持、神経伝達、さらには病態とも深く関連する重要な分子群です。

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