「銅・亜鉛-スーパーオキシドディスムターゼ」の版間の差分

　SOD1の分子量は生物種によって多少異なるが、サブユニットあたり約16,000 （アミノ酸残基：151から155個）で、ヒトSOD1は153個のアミノ酸残基を有している。N末端のメチオニン残基は脱落し、アセチル化されたアラニン残基から始まっている。そのためSOD1のアミノ酸残基の番号は、ヒトSOD1のアミノ酸配列を基本とし、アラニンを1番目として表記されている（メチオニンを1番目とする表記法もある）。例えば家族性ALSの変異を表すG37Rは、アラニンから数えて37番目のグリシンがアルギニンに変異したことを表している。SOD1は分子量も小さく安定であることから非常に多くの立体構造が決定されており、Protein Data Bank (日本のPDBサイトはhttps://pdbj.org/) に登録されている。図２Bに示すように、SOD1サブユニットは8本のβストランドが逆平行βシートを形成しており、グリークキー構造を２つ有したβバレル構造である。グリークキー構造は隣接する４本の逆平行βストランドとそれらを連結するループで構成され、このうちの3本はヘアピン構造で結合している。1番目のβストランドに隣接する4番目のβストランドは、グリークキーループによって3番目のストランドと結合している。SOD1では、ループIIIとループVIがグリークキーループと呼ばれる。グリークキー構造はギリシャ美術で見られる雷門模様に似ていることから命名された。SOD1のサブユニット同士のダイマー化は疎水性アミノ酸残基間の相互作用と主鎖同士の水素結合から成り立っている。またサブユニットあたり酵素活性に必須であるCuイオンと酵素の構造安定性に寄与するZnイオンを１つずつ配位している。金属の配位とサブユニット内に1ヶ所あるジスルフィド結合（Cys57-Cys146）はSOD1タンパク質の安定性に大きく寄与している。

図４は進化の過程におけるSOD1のシステイン残基の位置を示したものである。SOD1構造の維持に重要なCys57とCys146の分子内S-S結合は存在しており、種を超えて完全に保存されている。一方、進化の過程でフリー（S-S結合していない）のシステイン残基は増えてきた。ヒトSOD1のCys6に相当する6番目のアミノ酸は酵母や植物ではアラニンで、ヒトのCys111に相当するアミノ酸はセリンになっている。魚類や日本ザルを含む哺乳類のSOD1では6番目のアミノ酸がフリーのシステインに変異し、ヒト・類人猿およびニワトリのSOD1は111番目もフリーのシステインを持つようになった。なお、ショウジョウバエやニワトリのSOD1はフリーのシステイン残基を余分に持つ。大きな脳をもつ高等動物や酸素を大量に消費する飛行を行う昆虫と鳥類は多くの酸化ストレスに曝されることから、フリーのシステイン残基のチオール基（SH）による抗酸化作用が必要になってきたと考えられる。しかし、フリーのシステイン残基は反応性が高く酸化されやすいため、SOD1タンパク質自体にとっては有利なことではない。特にグリークキーループVIに存在するCys111は非常に酸化されやすく、スルフォン酸への不可逆的酸化<ref name=Fujiwara2007><pubmed>17913710</pubmed></ref>  [10]や分子間ジスルフィド結合<ref name=Furukawa2006><pubmed>16636274</pubmed></ref>  [11]が起こり、ミスフォールディングや凝集に進む。このCys111を2-メルカプトエタノール（2-ME）（図２A）<ref name=Ihara2012><pubmed>22804629</pubmed></ref>  [12]やシステイン<ref name=Auclair2013><pubmed>23927036</pubmed></ref>  [13]などでブロックすると酸化による分解や凝集を防ぐことができる。

1993年に家族性ALSの原因遺伝子として最初に同定されたのがSOD1である<ref name=Deng1993><pubmed>8351519</pubmed></ref><ref name=Rosen1993><pubmed>8446170</pubmed></ref>  [14, 15]。当初はSOD1活性の低下がALSの原因になると考えられたが、SOD1ノックアウトマウスはALS症状を示さず<ref name=Reaume1996><pubmed>8673102</pubmed></ref>  [16]、変異SOD1の高発現マウスがALS症状を示したことで、その考えは否定された。全ALS患者の2％程度がSOD1遺伝子の変異によるものと推定されている。図５に示すように、今では153個のアミノ酸残基から成るサブユニットに180個以上の点変異やC末端を欠損するフレームシフト変異が報告されている[www. https://alsod.ac.uk/]。ALSを引き起こす変異はあらゆる場所に起こっているが、真核生物間でよく保存されているアミノ酸残基での変異がALS変異になる傾向が高い。図５における黄色背景は酵母、植物、魚類、哺乳類などすべての真核生物において保存されているアミノ酸残基を表し、黄緑色背景は魚類や哺乳類などの脊椎動物で保存されているアミノ酸残基を表している。あまり保存されていないループIIからβ3cストランド（K23～K36）及びループIV（F50～E78）には比較的ALS変異が少ない（図２，５）。ALS変異は構成するアミノ酸残基による違いも見られ、システイン残基は4ヶ所すべてにおいてALS変異が見つかっている。SOD1に多く存在するグリシン残基は25ヶ所あるが、そのうち15ヶ所でALS変異が見つかっており、変異率は60％である。G37R、G85R、G93Aは早期に発見されたALS変異で、ALSモデルマウスが作製されている。特にGly93においてはAla以外に5種類のアミノ酸変異が報告されている。14ヶ所あるバリン残基も10ヶ所でALS変異が見つかっており、変異率は70％に上る。一方、11ヶ所あるリシン残基の点変異は1ヶ所（K3E）のみで、フレームシフトなどによる欠失変異が３ヶ所見つかっている。

SOD1が酵素タンパク質として機能を発揮するには、金属（CuとZn）の配位、Cys57とCys146のジスルフィド結合、そしてサブユニット同士のダイマー化という翻訳後修飾過程が必要である。この翻訳後修飾を失わせるような処理、つまり、金属を除いてジスルフィド結合を還元すると、野生型SOD1であってもモノマーになり凝集化やアミロイド化が起こり<ref name=Furukawa2008><pubmed>18552350</pubmed></ref>  [17]、高濃度のSOD1アミロイドはヒドロゲルを形成する<ref name=Fujiwara2018><pubmed>30289953</pubmed></ref>  [18]。ALS変異SOD1は野生型SOD1よりも金属がはずれやすくジスルフィド結合も還元されやすいため<ref name=Tiwari2003><pubmed>12458194</pubmed></ref>  [19]、熱安定性が低くプロテアーゼの攻撃を受けやすい<ref name=Rodriguez2002><pubmed>11854285</pubmed></ref>  [20]。そのため、ALS変異SOD1はモノマーになりやすく凝集体やアミロイドになりやすい性質を有している<ref name=Khare2004><pubmed>15475574</pubmed></ref><ref name=Rakhit2007><pubmed>17486090</pubmed></ref><ref name=Chattopadhyay2008><pubmed>19022905</pubmed></ref>  [21, 22, 23]。一方、SOD1は酸化処理によってもアミロイド形成や凝集が起こる<ref name=Rakhit2002><pubmed>12356748</pubmed></ref>  [24]。酸化ストレスと神経変性疾患との関係はアルツハイマー病やパーキンソン病でも示唆されているが、SOD1自体の酸化修飾もALS病態に関与している可能性がある<ref name=Fujiwara2007><pubmed>17913710</pubmed></ref><ref name=Bosco2010><pubmed>20953194</pubmed></ref> [10, 25]。ALSにおける酸化ストレス軽減のために、ラジカル消去剤であるエダラボン（ラジカット）が2番目のALS治療薬として認可された。また、SOD1の凝集が運動神経細胞死に関わっているかは議論の余地がある。最近は凝集体よりもミスフォールディングした可溶性SOD1の方に細胞毒性があると報告されている<ref name=Proctor2016><pubmed>26719414</pubmed></ref><ref name=Tokuda2019><pubmed>31744522</pubmed></ref>  [26, 27]。

変異SOD1ｔｇマウスにおいて、ミクログリアやアストロサイトでの変異SOD1の発現量が多いほどALSの進行速度が速くなり、逆にミクログリアやアストロサイトでの変異SOD1を除去するとALSの進行速度が遅くなることが証明された。つまり、変異SOD1を発現している運動神経細胞が自律的に細胞死をきたすわけではない『非細胞自律性神経細胞死』の概念が提唱されている><<ref name=Yamanaka2008><pubmed>18246065</pubmed></ref>  [59, 60]。

SOD1を欠損させたマウス（SOD1KOマウス）はALS症状を示さず一見正常に生育するものの雌の不妊が見つかり<ref name=Reaume1996><pubmed>8673102</pubmed></ref>  [61]、その後多くの異常が報告されるようになった。SOD1は赤血球に多く発現しているため、その欠損は溶血性貧血を引き起こし<ref name=Iuchi2007><pubmed>17059387</pubmed></ref>  [62]、腎臓や肝臓に鉄が蓄積すると考えられる<ref name=Yoshihara2012><pubmed>22435664</pubmed></ref><ref name=Yoshihara2016><pubmed>27629432</pubmed></ref>  [63, 64]。また、普通食でも脂肪肝から肝硬変になり<ref name=Uchiyama2006><pubmed>16921198</pubmed></ref><ref name=Sakiyama2016><pubmed>26981929</pubmed></ref>  [65, 66]、高齢になると肝腫瘍が発生する<ref name=Elchuri2005><pubmed>15531919</pubmed></ref>  [67]。さらに、難聴<ref name=McFadden1999><pubmed>10466888</pubmed></ref>  [68]、骨減少症<ref name=Nojiri2011><pubmed>22025246</pubmed></ref>  [69]、骨格筋の萎縮<ref name=Muller2006><pubmed>16716900</pubmed></ref>  [70]、皮膚萎縮症<ref name=Murakami2009><pubmed>19289104</pubmed></ref>  [71]、加齢黄斑変性<ref name=Imamura2006><pubmed>16844785</pubmed></ref>  [72]などの老化症状が見られている。アルツハイマーモデルマウスと掛け合わせると認知機能がさらに低下することも報告されている<ref name=Murakami2011><pubmed>22072713</pubmed></ref>  [73]。またSOD1KOマウスは行動異常を起こし、大脳ではドーパミントランスポーターの発現が上昇していることが観察されている<ref name=Yoshihara2016><pubmed>27629432</pubmed></ref>  [74]。

1993年以降SOD1の変異がALS患者で続々と見つかってきたのとは対照的に、SOD1の欠損症は2019年に初めてホモ接合性SOD1トランケーション変異（c.335dupG, p.C112Wfs*11, SOD活性なし）の症例が2例報告された。その2歳と6歳の患者は進行性の運動失調を伴う精神運動遅滞、過剰驚愕症（びっくり病）、痙性麻痺、耳介低位などの症状がみられており、SOD1の機能喪失とALS病態の関わりを再考する症例となっている<ref name=Park2019><pubmed>31332433</pubmed></ref><ref name=Andersen2019><pubmed>31314961</pubmed></ref>  [75, 76]。なお、p.C112Wfs*11はメチオニンから数えて112番目のCys（従来の表記ではCys111）がTrpになるフレームシフトが起こり、さらに10個の余分なアミノ酸の後に終止コドンになった欠失変異を意味している。これらの症例の家族にALS症状は見られていないものの、SOD1の機能喪失によるのかC末端が欠失したSOD１タンパク質の影響なのかも議論の余地がある。

SOD1はミトコンドリアから漏出するスーパーオキシドの消去以外に、ミトコンドリアの酸素呼吸そのものを低下させる役割を持つことが明らかになってきた<ref name=Sehati2011><pubmed>21397007</pubmed></ref><ref name=Reddi2013><pubmed>23332757</pubmed></ref>  [77,78]。Lys122残基（図５, ALS変異未定）のアセチル化がSOD1の酵素活性には影響せずにSOD1がもつミトコンドリア呼吸抑制能を低下させることも報告されている<ref name=Banks2017><pubmed>28739857</pubmed></ref>  [79]。多くの代謝酵素や転写因子のリシン残基のアセチル化やスクシニル化がミトコンドリア呼吸をはじめとする細胞内代謝を制御することがわかってきており [80]、SOD1のアセチル化もその一つだと考えられている。

SOD1が酸化ストレス刺激で核内に入り、DNAに結合し、DNA修復遺伝子、ALSに関係する遺伝子、がん遺伝子やCu/Fe恒常遺伝子などの発現を制御する機能が報告されている<ref name=Tsang2014><pubmed>24647101</pubmed></ref><ref name=Li2019><pubmed>31162603</pubmed></ref>  [81, 82]。

細胞質に存在するSOD1が小胞体（ER）-ゴルジ経路で細胞外に輸送され[83]、特に変異SOD1はクロモグラニンBと結合して分泌され細胞毒性に関与していることが報告された[84]。さらに、細胞外のカリウムイオンによって誘導された脱分極によってSOD1が細胞外に分泌されること[85]や神経細胞においてSOD1がムスカリン性アセチルコリン受容体を介してERK1/2とAKTを活性化すること<ref name=Damiano2013><pubmed>23147108</pubmed></ref>  [86]が報告されている。また細胞外に放出されたミスフォールドSOD1が隣接する細胞に取り込まれ、その細胞内のSOD1をミスフォールディングさせるプリオン伝播作用を示すことが提唱された><<ref name=Grad2014><pubmed>25551548</pubmed></ref>  [87, 88]。さらに、ALS患者脳脊髄液中に存在する可溶性ミスフォールド野生型SOD1が運動ニューロン様細胞に対して細胞毒性を示す<ref name=Tokuda2019><pubmed>31744522</pubmed></ref>  [27]。そこで、細胞外（脳脊髄液）のミスフォールドSOD1をターゲットにした新たなALS治療法が開発されるようになってきた。マウスを用いた実験段階であるが、ミスフォールドSOD1に特異的な抗体を髄腔内投与する療法やSOD1を投与して生体内で抗体を作らせるワクチン療法の効果が報告されている><<ref name=Takeuchi2010><pubmed>20838241</pubmed></ref>  [89, 90]。さらにはSOD1の翻訳を阻害する核酸医薬の開発競争も始まっている><><<ref name=Mueller2020><pubmed>32640133</pubmed></ref>  [91, 92, 93]。既にSOD1変異を持つ患者に対して、SOD1 mRNAを分解するアンチセンス薬tofersenの髄腔内投与の効果・安全性を検討する第１/第２相試験が行われており、第３相試験への期待が高まっている[94]。

図１

A　Cys111に２ME修飾させた野生型SOD１の立体構造（PDB:３T5Wを改変）