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[[ファイル:Opisthotonus in a patient suffering from tetanus - Painting by Sir Charles Bell - 1809.jpg|thumb| | [[ファイル:Opisthotonus in a patient suffering from tetanus - Painting by Sir Charles Bell - 1809.jpg|thumb|250px|'''図1. 破傷風による痙性対麻痺'''<br>1809年[[wj:チャールズ・ベル|チャールズ・ベル]]作。Wikipediaより。]] | ||
[[ファイル:Structure of tetanus toxin.png|thumb|300px|'''図2. テタヌス毒素の構造'''<br>L:軽鎖（50 kd)<br>H:重鎖 (100 kd)<br>S-S: ジスルフィド結合<br>H<small>N</small>:重鎖N末端領域。軽鎖の細胞内移行に関与する。<br>H<small>C</small>:重鎖C末端領域。神経細胞特異的な結合に関与する。H<small>C</small>はさらに25 kdずつのH<small>C</small>NとH<small>C</small>Cに分けられる。]] | [[ファイル:Structure of tetanus toxin.png|thumb|300px|'''図2. テタヌス毒素の構造'''<br>L:軽鎖（50 kd)<br>H:重鎖 (100 kd)<br>S-S: ジスルフィド結合<br>H<small>N</small>:重鎖N末端領域。軽鎖の細胞内移行に関与する。<br>H<small>C</small>:重鎖C末端領域。神経細胞特異的な結合に関与する。H<small>C</small>はさらに25 kdずつのH<small>C</small>NとH<small>C</small>Cに分けられる。]] | ||
[[Image:yoshikatsuaikawa_fig_2.jpg|thumb|300px|'''図3. クロストリジウム属毒素の基質一覧'''<br>クロストリジウム属毒素であるテタヌス毒素とボツリヌス毒素について示してある]] | [[Image:yoshikatsuaikawa_fig_2.jpg|thumb|300px|'''図3. クロストリジウム属毒素の基質一覧'''<br>クロストリジウム属毒素であるテタヌス毒素とボツリヌス毒素について示してある]] | ||
[[Image:yoshikatsuaikawa_fig_3.jpg|thumb|300px|'''図4. シナプトブレビンアイソフォーム内での基質特異性'''<br>]] | [[Image:yoshikatsuaikawa_fig_3.jpg|thumb|300px|'''図4. シナプトブレビンアイソフォーム内での基質特異性'''<br>]] | ||
[[ファイル:Tetanus toxin dimer.png|thumb|300px|'''図5. テタヌス毒素の結晶構造'''<br>二量体を形成している]] | [[ファイル:Tetanus toxin dimer.png|thumb|300px|'''図5. テタヌス毒素の結晶構造'''<br>二量体を形成している]] | ||
[[ファイル:Tetanus toxin catalytic core.png|thumb| | [[ファイル:Tetanus toxin catalytic core.png|thumb|200px|'''図6. テタヌス毒素活性中心の構造'''<br><ref name=ref15895988 />をもとに編集部作成。PyMolによるレンダリング。]] | ||
==テタヌス毒素とは== | ==テタヌス毒素とは== | ||
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==症状== | ==症状== | ||
通常、開口障害、[[嚥下障害]] | 通常、開口障害、[[嚥下障害]]そして項部硬直などの症状により始まる。麻痺は時間経過に伴い、胴体、腹部そして脚の筋肉へと下部へと広がっていく（図１）。しばしば致命的となり、全身倦怠、呼吸器系や[[wikipedia:ja:心不全|心不全]]の後、死に到る。致死率は近年の医学の進歩により減少しているが、高齢者の患者の場合では依然として高い。（[[wikipedia:ja:ホルムアルデヒド|ホルムアルデヒド]]で処理する事で[[wikipedia:ja:ワクチン|ワクチン]]化した毒素により、先進国からはほとんど消失したが、[[wikipedia:ja:ワクチン|ワクチン]]接種が進んでいない国々では依然として年間数十万人もの人々が亡くなっている。 | ||
==構造== | ==構造== | ||
テタヌス毒素の[[wikipedia:ja:遺伝子|遺伝子]]は、破傷風菌において75 kbの[[wikipedia:ja:プラスミド|プラスミド]]上にコードされている<ref><pubmed> 3536478 </pubmed></ref>。合成された1本のポリペプチド鎖（1315アミノ酸）は不活性であるが、[[wikipedia:ja:トリプシン|トリプシン]]様のタンパク質分解酵素により457番目のAlaから461番目のAspまでの間で限定分解を受け、N末端側の分子量50 kDaの軽鎖（449アミノ酸）とC末端側の分子量100 kDaの重鎖（857アミノ酸）となり活性型となる。両鎖は、１つの[[wikipedia:ja:ジスルフィド結合|ジスルフィド結合]]と非共有結合により繋がっている。 | テタヌス毒素の[[wikipedia:ja:遺伝子|遺伝子]]は、破傷風菌において75 kbの[[wikipedia:ja:プラスミド|プラスミド]]上にコードされている<ref><pubmed> 3536478 </pubmed></ref>。合成された1本のポリペプチド鎖（1315アミノ酸）は不活性であるが、[[wikipedia:ja:トリプシン|トリプシン]]様のタンパク質分解酵素により457番目のAlaから461番目のAspまでの間で限定分解を受け、N末端側の分子量50 kDaの軽鎖（449アミノ酸）とC末端側の分子量100 kDaの重鎖（857アミノ酸）となり活性型となる。両鎖は、１つの[[wikipedia:ja:ジスルフィド結合|ジスルフィド結合]]と非共有結合により繋がっている。 | ||
構造名称については、破傷風菌と同属である（ボツリヌス菌）が産出するボツリヌス毒素で提唱された名称と、第８回国際破傷風会議(1987)で採択された名称とがある。前者の場合、軽鎖を(L)、重鎖を(H)とする。また重鎖(H)は、そのN末端側の50 kDaの[[wikipedia:ja:αヘリックス|αヘリックス]]ドメインを(H<sub>N</sub>)、そのC末端側(865-1315)にある50 kDaを(H<sub>C</sub>)とし、さらにH<sub>C</sub>には分子量25 kDaのH<sub>C</sub>NとH<sub>C</sub> | 構造名称については、破傷風菌と同属である（ボツリヌス菌）が産出するボツリヌス毒素で提唱された名称と、第８回国際破傷風会議(1987)で採択された名称とがある。前者の場合、軽鎖を(L)、重鎖を(H)とする。また重鎖(H)は、そのN末端側の50 kDaの[[wikipedia:ja:αヘリックス|αヘリックス]]ドメインを(H<sub>N</sub>)、そのC末端側(865-1315)にある50 kDaを(H<sub>C</sub>)とし、さらにH<sub>C</sub>には分子量25 kDaのH<sub>C</sub>NとH<sub>C</sub>Cのサブドメインに分けられる（図２）。一方後者の場合、テタヌス毒素を[[wikipedia:ja:パパイン|パパイン]]処理するとC末端側50 kDaのペプチド断片とN末端側100 kDaのペプチド断片に分離されたことから、重鎖のC末端側50 kDaをFragment C (Frg C)、N末端側50 kDaをFragment B (Frg B)、さらに軽鎖をFragment A (Frg A) と呼称している。 | ||
各ドメインにはそれぞれ異なる機能があり、N末端側のLドメインは金属タンパク質分解活性をもち、H<sub>N</sub>ドメインは膜移行に、そしてH<sub>C</sub>ドメインは結合に、それぞれ関与している。 | 各ドメインにはそれぞれ異なる機能があり、N末端側のLドメインは金属タンパク質分解活性をもち、H<sub>N</sub>ドメインは膜移行に、そしてH<sub>C</sub>ドメインは結合に、それぞれ関与している。 | ||
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===軽鎖=== | ===軽鎖=== | ||
ボツリヌス毒素の軽鎖と同様に、テタヌス毒素の軽鎖(Lドメイン)は、[[wikipedia:ja:亜鉛|亜鉛]]依存的な[[wj:金属プロテアーゼ|金属プロテアーゼ]]として作用し毒性を引き起こす。B型ボツリヌス毒素と同様に[[シナプス小胞]]の膜蛋[[白質]]のv-SNAREであるSynaptobrevin-2/vesicle-associated membrane protein (VAMP)のGln(76)とPhe(77)の間の限定分解を行う（図３）。その結果、[[シナプス]]小胞と[[シナプス前膜]]とのドッキングが阻害され、[[抑制性]]神経伝達物質である[[GABA]]やGlycineなどの放出が抑制される。これがテタヌス毒素による[[シナプス前]]抑制の分子機構である<ref><pubmed> 1331807 </pubmed></ref>。ただし、アイソフォームの中には、テタヌス毒素に切断されないものもある（図４）<ref><pubmed> 10865130 </pubmed></ref>。 | |||
テタヌス毒素の軽鎖は二量体構造を示す（図５）。活性部位は基質となるタンパク質が近づきやすい溝の内部に位置し、[[wikipedia:ja:亜鉛|亜鉛]]に結合するモチーフであるHExxH(233-237)が中央部となるように正に荷電した[[wikipedia:ja:亜鉛|亜鉛]]と[[wikipedia:ja:配位結合|配位結合]]する（図６）。つまり、[[wikipedia:ja:亜鉛|亜鉛]]は2つのHisのイミダゾ－ル環（His(232)とHis(236))、そしてGlu(270)などのアミノ酸、さらにGlu(233)と強固な水素結合を形成する求核性の水分子、といった４つと相互作用している。特にこのモチーフ内にあるグルタミン酸は、それに結合している水分子が直接的にタンパク質の加水分解反応に関与するため特に重要である<ref name=ref15895988 ><pubmed> 15895988 </pubmed></ref><ref><pubmed> 15904688 </pubmed></ref>。 | |||
==重鎖== | ===重鎖=== | ||
重鎖(Hドメイン)Ｎ末端側のH<sub>N</sub>は、ベシクル膜から軽鎖を移行させることに関与しているが、疎水性が極めて高く、容易に不溶化沈殿するためにその構造解析が進んでいない。H<sub>C</sub>ドメインは[[神経筋接合部]]での神経終末へのテタヌス毒素の特異的な結合とその後の内部への取り込みに関与する。その結合には、神経細胞膜上に特にみられる[[ポリシアロガングリオシド]]、[[グリコスフィンゴリン脂質]]と複合体を形成する。テタヌス毒素重鎖(H)C末端側H<sub>C</sub>の立体構造を右枠の中に示す。H<sub>C</sub>ドメインには、さらに２つのサブドメイン構造のH<sub>C</sub>NとH<sub>C</sub>Cから構成される。H<sub>C</sub>Nサブドメインはいくつかの炭水化物結合タンパク質（マメ科植物の[[wikipedia:ja:レクチン|レクチン]]等）と似たようなjelly-rollモチーフ内にβストランド構造を含む。H<sub>C</sub>Nのアミノ酸配列は、クロストリジウム属の中でも高度に保存されている。H<sub>C</sub>CサブドメインはIL-1やFGFといったタンパク質の認識と結合に関与する[[wikipedia:ja:βシート|βシート]]が３つパックされたβ-trefoilという３つ葉状の構造を形成している。この配列はクロストリジウム属の中でも非常に保存性が低い。HCCサブドメインにはポリシアロ[[wikipedia:ja:ガングリオシド|ガングリオシド]](GD1bとGT1b)のオリゴ糖の部分に対して２つの結合部位があり、結合する部位(1281-1314)の中でもHis(1293)が関与する<ref><pubmed> 10722735 </pubmed></ref><ref><pubmed> 11418600 </pubmed></ref>。 | |||
==作用機序== | ==作用機序== | ||
テタヌス毒素は[[神経筋接合部]]から[[神経終末]]膜を介して神経内に取り込まれる。テタヌス毒素は[[逆行性輸送]]され、[[wikipedia:ja:脊椎|脊椎]]前角に到達し、[[細胞膜]]を通過し[[wikipedia:ja:シナプス|シナプス]]前膜を通りさらに上位の中枢へと運搬される。そこで抑制性[[wikipedia:ja:シナプス|シナプス]]を遮断し、痙性麻痺を引き起こす。ついで[[興奮性]][[wikipedia:ja:シナプス|シナプス]]も遮断し、筋は拘縮した状態となる。ちなみにこれは筋の弛緩を発生させる[[wikipedia:ja:ボツリヌストキシン|ボツリヌストキシン]] | テタヌス毒素は[[神経筋接合部]]から[[神経終末]]膜を介して神経内に取り込まれる。テタヌス毒素は[[逆行性輸送]]され、[[wikipedia:ja:脊椎|脊椎]]前角に到達し、[[細胞膜]]を通過し[[wikipedia:ja:シナプス|シナプス]]前膜を通りさらに上位の中枢へと運搬される。そこで抑制性[[wikipedia:ja:シナプス|シナプス]]を遮断し、痙性麻痺を引き起こす。ついで[[興奮性]][[wikipedia:ja:シナプス|シナプス]]も遮断し、筋は拘縮した状態となる。ちなみにこれは筋の弛緩を発生させる[[wikipedia:ja:ボツリヌストキシン|ボツリヌストキシン]]の作用と逆となる。 | ||
テタヌス毒素は、神経細胞に対して、 | |||
#毒素の結合 | #毒素の結合 | ||
#毒素の[[wikipedia:ja:エンドサイトーシス|エンドサイトーシス]] | #毒素の[[wikipedia:ja:エンドサイトーシス|エンドサイトーシス]] | ||
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#標的タンパク質であるVAMPの分解 | #標的タンパク質であるVAMPの分解 | ||
といった４段階を介して作用する（図７）<ref><pubmed> 13678859 </pubmed></ref>。 | |||
現在もなおテタヌス毒素の受容体については不明であるが、テタヌス毒素のHcCドメインには、２つのガングリオシド結合部位がこれまでに同定され、ポリシアロ[[wikipedia:ja:ガングリオシド|ガングリオシド]]分子と糖タンパク質にそれぞれ結合することが考えられている。実際にテタヌス毒素は[[wikipedia:ja:GPI|GPI]]-アンカー型糖タンパク質と[[wikipedia:ja:脂質ラフト|脂質ラフト]]に結合する。図4に示したように、運動神経終末での[[形質膜]]上に発現する受容体を介した[[wikipedia:ja:エンドサイトーシス|エンドサイトーシス]]により取り込まれる[[wikipedia:ja:ボツリヌストキシン|ボツリヌストキシン]]とは異なり、テタヌス毒素は[[wikipedia:ja:脂質ラフト|脂質ラフト]]や[[wikipedia:ja:ガングリオシド|ガングリオシド]]であるGD1bを含む脂質タンパク質受容体複合体に結合する[[wikipedia:ja:クラスリン|クラスリン]]依存的なエンドサイトーシスにより内部に入る。[[wikipedia:ja:クラスリン|クラスリン]]被覆小胞によりいったん取り込まれたテタヌス毒素は、神経中枢の神経細胞体へ逆行性に運ばれ、さらに[[wikipedia:ja:シナプス|シナプス]]を越えて高次神経細胞の[[wikipedia:ja:シナプス|シナプス]]前部に到達する過程（Transcytosis）にHcが関与している。標識されたHcは取り込まれた後も中性を保ったコンパートメントで細胞体へと逆行性に運搬され、運動神経の[[wikipedia:ja:樹状突起|樹状突起]]に集積される。BDNFや[[GDNF]]などの[[wikipedia:ja:神経栄養因子|神経栄養因子]]と比較すると、運搬速度や[[wikipedia:ja:樹状突起|樹状突起]]への集積速度は同じ（1 μm/sec）であるが、[[wikipedia:ja:シナプス|シナプス]]を越えて次の[[wikipedia:ja:シナプス|シナプス]]前部への移行はHcの方がほぼ倍の速度で行われることが明らかにされた。[[Image:tetanus toxin 図4.jpg|thumb|300px]] | 現在もなおテタヌス毒素の受容体については不明であるが、テタヌス毒素のHcCドメインには、２つのガングリオシド結合部位がこれまでに同定され、ポリシアロ[[wikipedia:ja:ガングリオシド|ガングリオシド]]分子と糖タンパク質にそれぞれ結合することが考えられている。実際にテタヌス毒素は[[wikipedia:ja:GPI|GPI]]-アンカー型糖タンパク質と[[wikipedia:ja:脂質ラフト|脂質ラフト]]に結合する。図4に示したように、運動神経終末での[[形質膜]]上に発現する受容体を介した[[wikipedia:ja:エンドサイトーシス|エンドサイトーシス]]により取り込まれる[[wikipedia:ja:ボツリヌストキシン|ボツリヌストキシン]]とは異なり、テタヌス毒素は[[wikipedia:ja:脂質ラフト|脂質ラフト]]や[[wikipedia:ja:ガングリオシド|ガングリオシド]]であるGD1bを含む脂質タンパク質受容体複合体に結合する[[wikipedia:ja:クラスリン|クラスリン]]依存的なエンドサイトーシスにより内部に入る。[[wikipedia:ja:クラスリン|クラスリン]]被覆小胞によりいったん取り込まれたテタヌス毒素は、神経中枢の神経細胞体へ逆行性に運ばれ、さらに[[wikipedia:ja:シナプス|シナプス]]を越えて高次神経細胞の[[wikipedia:ja:シナプス|シナプス]]前部に到達する過程（Transcytosis）にHcが関与している。標識されたHcは取り込まれた後も中性を保ったコンパートメントで細胞体へと逆行性に運搬され、運動神経の[[wikipedia:ja:樹状突起|樹状突起]]に集積される。BDNFや[[GDNF]]などの[[wikipedia:ja:神経栄養因子|神経栄養因子]]と比較すると、運搬速度や[[wikipedia:ja:樹状突起|樹状突起]]への集積速度は同じ（1 μm/sec）であるが、[[wikipedia:ja:シナプス|シナプス]]を越えて次の[[wikipedia:ja:シナプス|シナプス]]前部への移行はHcの方がほぼ倍の速度で行われることが明らかにされた。[[Image:tetanus toxin 図4.jpg|thumb|300px]] | ||