このページはRCSBの David S. Goodsell博士による「Molecule of the Month」2004年5月の記事を日本語に訳したものです。転載・引用については利用規約をご覧下さい。
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:翻訳 工藤高裕 (PDBj)
α1-アンチトリプシン(PDB:1psi)

我々の細胞はしばしば危険な機械として働くよう強いられる。例えば、DNAやRNAを壊すヌクレアーゼ(nuclease)、炭化水素(carbohydrate)を壊す アミラーゼ (amylase)および関連する酵素、脂肪をかみ砕くリパーゼ(lipase)、タンパク質を分解するプロテアーゼ(protease、タンパク質分解酵素)といった様々な破壊のための機械を細胞は作っている。これらの破壊的酵素は大きな処理能力が必要とされ、食べ物に含まれる分子を実際利用できる断片へと分解する消化(digestion)に使われる。また、体内に侵入してくるウイルス(virus)や細菌(bacteria)に攻撃を加えるための防衛手段としても使われる。細胞内にある欠陥のある分子やもう使われなくなった分子を分解するのにも使われる。メッセージを受け取るとすぐに信号分子を活性化する信号伝達(signaling cascade)にも使われる。これらの酵素は適切な時と場所で使われることが不可欠であるが、もし遊離してしまうと災いを引き起こしうる。

プロテアーゼからの保護

我々の細胞はこの破壊的機械を制御するため、機械の活動を阻害し危険を取り除く多くのタンパク質も作っている。セルピン(serpins)はこのような分子の中の一グループで、特定のセリンプロテアーゼ(serine protease)を見つけ出して破壊するよう設計されている。セルピンという名前は何かギリシャ神話に由来するもののように聞こえるが、そうではなくセルピンの持つ機能〜セリンプロテアーゼ阻害剤(SERine Protease INhibitor)〜に由来している。ここに示したのはα1-アンチトリプシン(alpha1-antitrypsin、PDBエントリー 1psi )の例である。これは血流中に見られ、タンパク質を切断する酵素エラスターゼ(elastase)から周囲の組織を守っている。好中球(neutrophil、白血球の一種)は炎症(inflammation)が発生している部位にエラスターゼを分泌し、これが結合組織を分解することにより血液細胞が入って防衛や修復といった仕事をできるようにしている。セルピンは隣接する領域を保護し、エラスターゼが身体中に広がらないようにしている。

プロテアーゼを捕らえる

セルピンはネズミ捕りのような分子で、餌と揺れ動く腕で獲物の捕獲を成し遂げる。このタンパク質は準安定性タンパク質である。これは、活性型では部分的にしか安定とならないが、プロテアーゼを見つけるとずっと安定な型になることができる、ということを意味している。重要な部分は赤紫色で示した柔軟な環状領域である。この環状領域にある1つのアミノ酸が餌として用いられる。α1-アンチトリプシンの場合、この餌として用いられるアミノ酸はメチオニン(methionine、赤と橙で示した部分)である。後述するように、プロテアーゼがこの餌に食いつくと捕獲され破壊される。

セルピンの巣

ヒトのセルピンは30種類以上研究されており、それぞれが異なる必須の仕事を担っている(それらが多数PDBには登録されている)。その多くは血液中で見られ、うち何種類かは血液凝固(blood clotting)の過程を制御している。アンチトロンビン(antithrombin)は血栓形成の際 トロンビン (thrombin)の作用を制限し、アンチプラスミン(antiplasmin)は血栓が溶解する時プラスミン(plasmin)の作用を制限している。また別のセルピンは補体系(complement system、細菌感染から我々を守る仕組み)で使われるプロテアーゼ(protease)の作用を制御する。なお、この分子の様々な仲間に関する記述が欧州バイオインフォマティクス研究所(EBI)の「 今月のタンパク質 」(Protein of the Month)があるので参照のこと。

セルピンが失敗する時

セルピンが正常に機能しなくなると、深刻な問題を引き起こしうる。よく見られるのは次に述べる2種類の問題である。セルピンが不具合を起こすと、固有の対象を阻害できなくなり放置されたプロテアーゼが暴れ回ってしまうかもしれない。この現象は肺気腫(emphysema)で起こっており、α1-アンチトリプシンが損傷してエラスターゼが肺の結合組織を破壊してしまうことで問題を引き起こしている。セルピンが働かなくなる原因の一つは喫煙で、餌として使われるメチオニンアミノ酸が修正されてしまうことがある。また、代わりに使われるセルピンの独特な捕獲機構(後述)がまた別の問題を引き起こす可能性がある。環状領域が破壊された後、別のセルピンと結合し、かさ高い凝集体となりうる。もしこの凝集体が神経細胞内でできると、神経の機能が阻害され認知症(dementia)を引き起こすかもしれない。

罠を旅する

セルピン(青)に結合したトリプシン(緑)(左:結合直後 PDB:1k9o、右:反応中心ループがしまいこまれた後 PDB:1ezx)

セルピンの柔軟な環状領域は、反応中心ループ(reactive center loop)として知られる、餌と罠になる部分である。緑で示したプロテアーゼは餌に食いつき、通常の切断反応を始める。上図左の構造(PDBエントリー 1k9o )はセルピンと結合した直後のトリプシンを示している。プロテアーゼ(トリプシン)中にある反応性セリンは環状領域を攻撃し、鎖と結合を形成して切断を行う。その後、通常であれば水分子を使いプロテアーゼは切断対象分子から解放される。ところが、不幸なトリプシンは自身を解放するよりも前にセルピンの制御下に置かれてしまう。切断されて自由に動けるようになった柔軟な環状領域は、セルピンの側面にある十分な大きさのある溝にしまい込まれ、それに伴ってプロテアーゼは反対側の側面へと引っ張ってこられる(上図右の構造、PDBエントリー 1ezx )。トリプシンは残りの反応を行って自身を解放できると思うかもしれない。ところが、セルピンの鎖は側面の溝にしっかりつかまれ数個のアミノ酸しか出ていない状態で、これは解放反応を行うには短すぎるため、トリプシンはセルピンの底にくっついたまま動けなくなってしまう。そしてこれによってトリプシンの活性部位は変形し、活性を失ってしまう。またトリプシンは不安定化させられ、部分的に構造がほどかれた状態になってしまう。これは不具合のあるタンパク質を一掃する分子機械にとって分かりやすい標的となり、プロテアーゼと使い捨てのセルピン双方が破壊される。

構造をみる

セルピン(青)に結合したトリプシン(緑)(左:結合直後 PDB:1k9o、右:反応中心ループがしまいこまれた後 PDB:1ezx)

上図に示した2つの驚くべき結晶構造は、α1-アンチトリプシンの反応前後の様子を示している。左に示したPDBエントリー 1k9o はプロテアーゼが捕らえられる前のセルピン-プロテアーゼ複合体を示している。科学者たちは反応性セリンをアラニン(alanine、黄色)に変えた変異体プロテアーゼを使って罠に捕獲されていない複合体を見えるようにした。セルピン内に白で示した4本の長い並行鎖があることに注目して欲しい。上図右に示したPDBエントリー 1ezx は腕がしまい込まれた後の複合体を示している。環状領域が壊され、トリプシンははるばるセルピンの反対側へと引っ張ってこられている。トリプシンの中にあるセリン(黄色)はセルピンの中にあるメチオニン(赤)に結合している。壊され環状領域からできた鎖が4本の並行鎖の真ん中へどのようにしてしまいこまれたのかに注目して欲しい。またトリプシンが不安定化していることにも注目して欲しい。タンパク質鎖の多くは動きが多すぎるため結晶構造では見えていない。小さな星印は実験結果上の末端で、見えていない環状領域が続く部分を示している。

2004年4月時点でPDBに登録されていたセルピン関連する全エントリーの一覧をこちらのリストに掲載しています。

2004年4月 キーワード検索による関連PDBエントリー一覧
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PDB ID Title Authors Publication Year Journal Name Volume No First Page Pubmed ID
1a7c Interfering with the inhibitory mechanism of serpins: crystal structure of a complex formed between cleaved plasminogen activator inhibitor type 1 and a reactive-centre loop peptide. Y.Xue, P.Bjorquist, T.Inghardt, M.Linschoten, D.Musil, L.Sjolin, J.Deinum 1998 Structure 6 627 9634700
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1br8 Implications for function and therapy of a 2.9 A structure of binary- complexed antithrombin. R.Skinner, W.S.Chang, L.Jin, X.Pei, J.A.Huntington, J.P.Abrahams, R.W.Carrell, D.A.Lomas 1998 J. Mol. Biol. 283 9 9761669
1by7 The Crystal Structure of Plasminogen Activator Inhibitor-2 at 2.0 A Resolution: Implications for Serpin Function S.J.Harrop, L.Jankova, M.Coles, D.Jardine, J.S.Whittaker, A.R.Gould, A.Meister, G.C.King, B.C.Mabbutt, P.M.G.Curmi 1999 Structure Fold Des. 7 43 10368272
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1c8o Crystal Structure of Viral Serpin Crma Provides Insights Into its Mechanism of Cysteine Proteinase Inhibition. M.Simonovic, P.G.W.Gettins, K.Volz 2000 Protein Sci. 9 1423 10975564
1d5s Cleaved Antitrypsin Polymers at Atomic Resolution M.A.Dunstone, W.Dai, J.C.Whisstock, J.Rossjohn, R.N.Pike, S.C.Feil, B.F.Le Bonniec, M.W.Parker, S.P.Bottomley 2000 Protein Sci. 9 417 10716194
1db2 Plasminogen Activator Inhibitor 1. Structure of the Native Serpin, Comparison to its Other Conformers and Implications for Serpin Inactivation H.Nar, M.Bauer, J.M.Stassen, D.Lang, A.Gils, P.J.Declerck 2000 J. Mol. Biol. 297 683 10731421
1dvm Structures of Active and Latent Pai-1: A Possible Stabilizing Role for Chloride Ions T.J.Stout, H.Graham, D.I.Buckley, D.J.Matthews 2000 Biochemistry 39 8460 10913251
1dvn
1dzg The Conformational Activation of Antithrombin-A 2.85 Angstrom Structure of a Fluorescein Derivative Reveals an Electrostatic Link between the Hinge Region and Heparin Binding Regions J.A.Huntington, A.J.Mccoy, K.J.Belzar, X.Y.Pei, P.G.W.Gettins, R.W.Carrell 2000 J. Biol. Chem. 275 15377 10809774
1dzh
1e03 The Anticoagulant Activation of Antithrombin by Heparin L.Jin, J.-P.Abrahams, R.Skinner, M.Petitou, R.N.Pike, R.W.Carrell 1997 Proc. Nat. Acad. Sci. USA 266 601 9405673
1e04 The 2.6A Structure of Antithrombin Indicates a Conformational Change at the Heparin Binding Site R.Skinner, J.-P.Abrahams, J.C.Whisstock, A.M.Lesk, R.W.Carrell, M.Wardell 1997 J. Mol. Biol. 266 601 9067613
1e05
1eb2 Pro_Select: Combining Structure-Based Drug Design and Array-Based Chemistry for Rapid Lead Discovery. 2. The Development of a Series of Highly Potent and Selective Factor Xa Inhibitors J.W.Liebeschuetz, S.D.Jones, P.J.Morgan, C.W.Murray, A.D.Rimmer, J.M.E.Roscoe, B.Waszkowycz, P.M.Welsh, W.A.Wylie, S.C.Young, H.Martin, J.Mahler, L.Brady' K.Wilkinson n/a To be Published n/a n/a n/a
1ezx Structure of a Serpin-Protease Complex Shows Inhibition by Deformation J.A.Huntington, R.J.Read, R.W.Carrell 2000 Nature 407 923 11057674
1f0c Crystal Structure of the Apoptotic Suppressor Crma in its Cleaved Form M.Renatus, Q.Zhou, H.R.Stennicke, S.J.Snipas, D.Turk, L.A.Bankston, R.C.Liddington, G.S.Salvesen 2000 Structure Fold Des. 8 789 10903953
1hia A new structural class of serine protease inhibitors revealed by the structure of the hirustasin-kallikrein complex. P.R.Mittl, S.Di Marco, G.Fendrich, G.Pohlig, J.Heim, C.Sommerhoff, H.Fritz, J.P.Priestle, M.G.Grutter 1997 Structure 5 253 9032072
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1hle Crystal structure of cleaved equine leucocyte elastase inhibitor determined at 1.95 A resolution. U.Baumann, W.Bode, R.Huber, J.Travis, J.Potempa 1992 J. Mol. Biol. 226 1207 1518052
1hp7 A 2.1 A Resolution Structure of an Uncleaved Alpha(1)-Antitrypsin Shows Variability of the Reactive Center and Other Loops. S.-J.Kim, J.-R.Woo, E.J.Seo, M.-H.Yu, S.-E.Ryu 2001 J. Mol. Biol. 306 109 11178897
1imv Crystal Structure of Human Pedf, a Potent Anti-Angiogenic and Neurite Growth-Promoting Factor M.Simonovic, P.G.W.Gettins, K.Volz 2001 Proc. Nat. Acad. Sci. USA 98 11131 11562499
1iz2 Interactions Causing the Kinetic Trap in Serpin Protein Folding H.Im, M.-S.Woo, K.Y.Hwang, M.-H.Yu 2002 J. Biol. Chem. 277 46347 12244055
1jjo Crystal Structure of Neuroserpin: A Neuronal Serpin Involved in a Conformational Disease. C.Briand, S.V.Kozlov, P.Sonderegger, M.G.Gruetter 2001 FEBS Lett. 505 18 11557034
1jmj Crystal Structures of Native and Thrombin-Complexed Heparin Cofactor II Reveal a Multistep Allosteric Mechanism T.P.Baglin, R.W.Carrell, F.C.Church, C.T.Esmon, J.A.Huntington 2002 Proc. Nat. Acad. Sci. USA 99 11079 12169660
1jmo
1jrr Crystal Structure of the Complex of Plasminogen Activator Inhibitor 2 with a Peptide Mimicking the Reactive Center Loop L.Jankova, S.J.Harrop, D.N.Saunders, J.L.Andrews, K.C.Bertram, A.R.Gould, M.S.Baker, P.M.G.Curmi n/a To be Published n/a n/a 11546761
1jti Loop-Inserted and Thermostabilized Structure of P1-P1' Cleaved Ovalbumin Mutant R339T M.Yamasaki, Y.Arii, B.Mikami, M.Hirose 2002 J. Mol. Biol. 315 113 11779232
1jvq Serpin Structure Shows How Small Peptides Block and Reverse Polymerisation A.Zhou, J.A.Huntington, D.A.Lomas, R.W.Carrell, P.E.Stein n/a To be Published n/a n/a n/a
1k9o The Structure of a Michaelis Serpin-Protease Complex S.Ye, A.L.Cech, R.Belmares, R.C.Bergstrom, Y.Tong, D.R.Corey, M.R.Kanost, E.J.Goldsmith 2001 Nat. Struct. Biol. 8 979 11685246
1kct Crystal structure of an uncleaved alpha 1-antitrypsin reveals the conformation of its inhibitory reactive loop. H.K.Song, K.N.Lee, K.S.Kwon, M.H.Yu, S.W.Suh 1995 FEBS Lett. 377 150 8543039
1lj5 n/a n/a n/a Unpublished n/a n/a n/a
1lk6 Serpin Polymerization is Prevented by a Hydrogen Bond Network that is Centered on His-334 and Stabilized by Glycerol A.Zhou, P.E.Stein, J.A.Huntington, R.W.Carrell 2003 J. Biol. Chem. 278 15116 12578831
1lq8 Crystal Structure of Protein C Inhibitor Provides Insights Into Hormone Binding and Heparin Activation J.A.Huntington, M.Kjellberg, J.Stenflo 2003 Structure 11 205 12575940
1m93 Crystal Structure of Viral Serpin Crma Provides Insights Into its Mechanism of Cysteine Proteinase Inhibition M.Simonovic, P.G.W.Gettins, K.Volz 2000 Protein Sci. 9 1423 10975564
1mtp The 1.5 Crystal Structure of a Prokaryote Serpin: Controlling Conformational Change in a Heated Environment J.A.Irving, L.D.Cabrita, J.Rossjohn, R.N.Pike, S.P.Bottomley, J.C.Whisstock 2003 Structure 11 387 12679017
1oc0 How Vitronectin Binds Pai-1 to Modulate Fibrinolysis and Cell Migration A.Zhou, J.Huntington, N.Pannu, R.Carrell, R.Read 2003 Nat. Struct. Biol. 10 541 n/a
1oo8 Canonical Inhibitor-Like Interactions Explain Reactivity of Alpha1-Proteinase Inhibitor Pittsburgh and Antithrombin with Proteinases A.Dementiev, M.Simonovic, K.Volz, P.G.Gettins 2003 J. Biol. Chem. 278 37881 12860985
1oph
1ova Crystal structure of uncleaved ovalbumin at 1.95 A resolution. P.E.Stein, A.G.Leslie, J.T.Finch, R.W.Carrell 1991 J. Mol. Biol. 221 941 1942038
1p4l Variable Mhc Class I Engagement by Ly49 Natural Killer Cell Receptors Demonstrated by the Crystal Structure of Ly49C Bound to H-2K(B). J.Dam, R.Guan, K.Natarajan, N.Dimasi, L.K.Chlewicki, D.M.Kranz, P.Schuck, D.H.Margulies, R.A.Mariuzza 2003 Nat. Immunol. 4 1213 14595439
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1qlp Topography of a 2.0 A Structure of Alpha1-Antitrypsin Reveals Targets for Rational Drug Design to Prevent Conformational Disease. P.R.Elliott, X.Y.Pei, T.Dafforn, D.A.Lomas 2000 Protein Sci. 9 1274 n/a
1qmb A 2.6A Structure of a Serpin Polymer and Implications for Conformational Disease J.A.Huntington, N.S.Pannu, B.Hazes, R.J.Read, D.A.Lomas, R.W.Carrell 1999 J. Mol. Biol. 293 449 10543942
1qmn Inactive Conformation of the Serpin Alpha1-Antichymotrypsin Indicates Two- Stage Insertion of the Reactive Loop: Implications for Inhibitory Function and Conformational Disease B.Gooptu, B.Hazes, W.-S.W.Chang, T.R.Dafforn, R.W.Carrell, R.J.Read, D.A.Lomas 2000 Proc. Nat. Acad. Sci. USA 97 67 10618372
1sek The structure of active serpin 1K from Manduca sexta. J.Li, Z.Wang, B.Canagarajah, H.Jiang, M.Kanost, E.J.Goldsmith 1999 Structure Fold Des. 7 103 10368276
1uhg Crystal Structure of S-Ovalbumin as a Non-Loop-Inserted Thermostabilized Serpin Form M.Yamasaki, N.Takahashi, M.Hirose 2003 J. Biol. Chem. 278 35524 12840013
1utn Trypsin Specificity as Elucidated by Lie Calculations, X-Ray Structures, and Association Constant Measurements H.-K.S.Leiros, B.O.Brandsdal, O.A.Andersen, V.Os, I.Leiros, R.Helland, J.Otlewski, N.P.Willassen, A.O.Smalas 2004 Protein Sci. 13 1056 n/a
1uto
1utp
1utq
1vac Crystal structure of an H-2Kb-ovalbumin peptide complex reveals the interplay of primary and secondary anchor positions in the major histocompatibility complex binding groove. D.H.Fremont, E.A.Stura, M.Matsumura, P.A.Peterson, I.A.Wilson 1995 Proc. Nat. Acad. Sci. USA 92 2479 7708669
2ach Crystal structure of cleaved human alpha 1-antichymotrypsin at 2.7 A resolution and its comparison with other serpins. U.Baumann, R.Huber, W.Bode, D.Grosse, M.Lesjak, C.B.Laurell 1991 J. Mol. Biol. 218 595 2016749
2ant The 2.6 A Structure of Antithrombin Indicates a Conformational Change at the Heparin Binding Site R.Skinner, J.P.Abrahams, J.C.Whisstock, A.M.Lesk, R.W.Carrell, M.R.Wardell 1997 J. Mol. Biol. 266 601 9067613
3caa Arginine substitutions in the hinge region of antichymotrypsin affect serpin beta-sheet rearrangement. C.M.Lukacs, J.Q.Zhong, M.I.Plotnick, H.Rubin, B.S.Cooperman, D.W.Christianson 1996 Nat. Struct. Biol. 3 888 8836107
4caa
7api The S variant of human alpha 1-antitrypsin, structure and implications for function and metabolism. R.Engh, H.Lobermann, M.Schneider, G.Wiegand, R.Huber, C.B.Laurell 1989 Protein Eng. 2 407 2785270
8api
9api
9pai Mechanisms contributing to the conformational and functional flexibility of plasminogen activator inhibitor-1. K.Aertgeerts, H.L.De Bondt, C.J.De Ranter, P.J.Declerck 1995 Nat. Struct. Biol. 2 891 7552714

更に知りたい方へ

以下の参考文献もご参照ください。

  • P. G. W. Gettins 2002 Serpin structure, mechanism and function. Chemical Reviews 102 4751-4803
  • R. N. Pike and others 2002 Serpins: Finely balanced conformational traps. IUBMB Life 54 1-7
  • G. A. Silverman and others 2001 The serpins are an expanding superfamily of structurally similar but functionally diverse proteins. Journal of Biological Chemistry 276 33293-33296
  • J. Protempa, E. Korzus and J. Travis 1994 The serpin superfamily of proteinase inhibitors: Structure, function and regulation. Journal of Biological Chemistry 269 15957-15960



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