「プリオン」の版間の差分

DOI XXXX/XXXX　原稿受付日：2012年9月6日　原稿完成日：2013年月日<br>

担当編集委員：[http://researchmap.jp/read0141446 漆谷　真]（京都大学 大学院医学研究科）<br>

　プリオンとはタンパク質からなる感染性因子のことであり、[[wikipedia:ja:ミスフォールド|ミスフォールド]]したタンパク質がその構造を正常の構造のタンパク質に伝えることによって伝播する<ref><pubmed> 9811807 </pubmed></ref>。他の感染性因子と異なり、[[wikipedia:ja:DNA|DNA]]や[[wikipedia:ja:RNA|RNA]]といった[[wikipedia:ja:核酸|核酸]]は含まれていない。[[狂牛病]]や[[クロイツフェルト・ヤコブ病]]などの[[伝達性海綿状脳症]]の原因となり、これらの病気はプリオン病と呼ばれている。[[脳]]などの神経組織の構造に影響を及ぼす極めて進行が速い疾患として知られており、治療法が確立していない致死性の疾患である。

　18世紀にイギリスで[[wikipedia:ja:ヒツジ|ヒツジ]]や[[wikipedia:ja:ヤギ|ヤギ]]の[[スクレイピー]]が記録された。ヒトでは1920年と1921年に[[wikipedia:Hans Gerhard Creutzfeldt|Creutzfeldt]]と[[wikipedia:Alfons Maria Jakob|Jakob]]によってクロイツフェルト・ヤコブ病(Creutzfeldt-Jakob disease: CJD)が報告された。1936 年には、プリオン病であると考えられている[[ゲルストマン・ストロイスラー・シャインカー症候群]](Gerstmann-Straussler-Scheinker syndrome: GSS)が報告された。1947年には[[伝達性ミンク脳症]]の発生が報告された。1957年には、Gajdusekらによって[[wikipedia:ja:パプア・ニューギニア|パプア・ニューギニア]]における[[クール―]]が報告され、1959年にはクール―とCJDとの類似性が指摘されている。1976年、Gajdusekが[[wikipedia:ja:ノーベル生理学・医学賞|ノーベル生理学・医学賞]]を受賞した。1982年、[[wikipedia:ja:スタンリー・B・プルシナー|Prusiner]]がスクレイピー感染脳を用いた実験からproteinaceous infectious particlesの概念を提唱し、この感染性因子をプリオンと命名した（プリオン仮説の提唱）<ref name="ref2"><pubmed> 6801762 </pubmed></ref>。1986年、[[ウシ海綿状脳症]](BSE)の発生がイギリスで報告され、1987年には人由来乾燥[[硬膜]]移植による医源性CJDが発生し、1996年にはBSE由来とされる変異型CJD (vCJD)が報告された。1997年にはPrusinerがノーベル医学・生理学賞を受賞した。2003年アメリカにおいてBSEの発生が確認され日本への米国産牛肉の輸入が禁止された。2005年、日本においてvCJDの患者が報告された。

　哺乳類においてプリオンとしてふるまい、狂牛病などのプリオン病の原因となるのはPrPと呼ばれる。PrPは、ヒトでは253個、マウスでは254個のアミノ酸からなるタンパク質であり、そのアミノ酸配列は高度に保存されている<ref name="ref7"><pubmed> 1675487 </pubmed></ref>。 PrPは健康なヒトや動物でも発現しているタンパク質であり、脳、[[wikipedia:ja:心臓|心臓]]、[[wikipedia:ja:肝臓|肝臓]]など多くの組織、臓器において発現が認められているが、特に脳、神経細胞において高い発現をしている。  

　正常プリオンタンパク質(cellular PrP, PrP^C) は、前駆体タンパク質として翻訳される。N末端の22個のアミノ酸は[[wikipedia:ja:小胞体|小胞体]]への移行シグナルであり、小胞体移行後に[[wikipedia:ja:シグナルペプチターゼ|シグナルペプチターゼ]]によって切断される。C末端の23個のアミノ酸は[[wikipedia:ja:グリコシルホスファチジルイノシトール（GPI）アンカー|グリコシルホスファチジルイノシトール（GPI）アンカー]]シグナルとして機能し、[[ゴルジ体]]での230番目のセリンへのGPIアンカー付加後に除去される。179番目と214番目の[[wikipedia:ja:システイン|システイン]]残基間にはジスルフィド結合が形成され、181番目と197番目の[[wikipedia:ja:アスパラギン|アスパラギン]]には[[wikipedia:ja:糖鎖修飾|糖鎖修飾]]がおこる。このような修飾ののち、主に細胞膜上の[[wikipedia:ja:ラフト|ラフト]]と呼ばれる[[コレステロール]]や[[wikipedia:ja:スフィンゴ脂質|スフィンゴ脂質]]に富む領域に発現する<ref name="ref7" />。細胞膜上に発現したPrP^Cは、エンドサイトーシスによって細胞内に取り込まれ、一部は分解されることなくリサイクルされ、一部はリソソームのタンパク質分解酵素によって分解される。

　PrP^Cの機能についてはわかっていないことが多く、今後明らかにされると思われる。最初に報告されたプリオン遺伝子（''PRNP''）欠損(PrP^-/-)マウスは何ら行動異常や神経異常を示さないことが報告されたが<ref name="ref5"><pubmed> 1373228 </pubmed></ref>、その後作成された欠損マウスでは老齢期の行動異常や[[小脳]][[プルキンエ細胞]]の[[変性死]]などの異常が報告されている<ref><pubmed> 8606772 </pubmed></ref>。PrPはN末端に繰り返し配列を持っており、この配列を介して[[wikipedia:ja:銅|銅]]イオンと結合し、[[wikipedia:ja:抗酸化|抗酸化]]作用に関係しているとの報告がある。また、[[アポトーシス]]や[[長期増強]]への関与なども報告されている。  

　異常プリオンタンパク質（scrapie PrP:PrP^Sc） は、PrP^Cが構造変化を起こしたものであり、プリオン病に特異的に検出される。PrP^Scは、PrP^Cと比べてβシート構造に富んだ構造をとっていることが明らかになってきている。また、PrP^Cが[[wikipedia:ja:界面活性剤|界面活性剤]]に可溶性を示し、[[wikipedia:ja:プロテアーゼK|プロテアーゼK]]などの[[wikipedia:ja:タンパク質分解酵素|タンパク質分解酵素]]によって容易に分解されるのに対し、PrP^Scは、界面活性剤に難溶性であり、タンパク質分解酵素にも抵抗性を示す。

　PrP^Scの凝集体は[[アミロイド]]線維とよばれる構造をとっており、PrPのアミロイド線維はPrP単量体が結合する鋳型として働くことができ、PrPの単量体がPrPのアミロイド線維にとりこまれることによってPrPのアミロイドは伸長することができる。また、毒性・感染力の強いPrP^Scはアミロイドよりもむしろ[[wikipedia:ja:オリゴマー|オリゴマー]]であるという主張もある<ref><pubmed> 16148934 </pubmed></ref>。 ミスフォールドしたPrPが健康な個体に感染すると、健康な個体に存在していた正常な構造のPrPがミスフォールドしたPrPへの構造変換が起きる。つまりミスフォールドしたPrPは他のPrPの構造変換を引き起こす鋳型としてふるまい、可溶性の正常型タンパク質がアミロイドに重合していくことによって、構造変化がおこり異常型タンパク質の構造へと変化すると考えられている。

　動物では、ヒツジやヤギにみられるスクレイピー（scrapie）、ミンクでみられる伝達性ミンク脳症(transmissible mink encephalopathy: TME）、[[wikipedia:ja:シカ|シカ]]でみられる[[慢性消耗性疾患]]（chronic wasting disease: CWD）、ウシ海綿状脳症（bovine spongiform encephalopathy: BSE）、[[ネコ海綿状脳症]]（feline spongiform encephalopathy: FSE）などが知られている。ヒトでは、クロイツフェルト・ヤコブ病（Creutzfeldt-Jakob disease: CJD）、ゲルストマン・ストロイスラー・シャインカー症候群（Gerstmann-Straussler-Scheinker syndrome: GSS）などが知られており、その原因により特発性・遺伝性・感染性と大きく三つに分類される。

　感染性のプリオン病には、狂牛病から感染することによって起こると考えられる変異型CJD (variant CJD)やCJD汚染[[成長ホルモン]]投与や汚染脳硬膜移植などによって起こる医原性CJD (iatrogenic CJD)などが知られている。また、クールーはパプア・ニューギニアの[[wikipedia:ja:フォレ族|フォレ族]]の子供と女性にみられる疾患であり、[[wikipedia:ja:食人|食人]]習慣による経口感染が原因と考えられる。

 

　ヒト、CJDの臨床症状としては、急速に進行する[[認知症]]、[[全身性ミオクローヌス]]などが特徴である。しかし、生前診断ではCJDと診断されず、剖検によって初めてCJDと診断される症例が多く存在する（確定診断には、死後、剖検を行い、脳の病理学的な検索が必要）。CJDの早期診断は非常に困難なことが多いが、[[髄液]]中の[[14-3-3タンパク質]]、[[tauタンパク質]]、[[neuron specific enolase]] ([[NSE]])による診断、[[脳波]]での[[周期性同期性放電]]、[[MRI]]における[[大脳基底核]]や[[大脳皮質]]での高信号などによる診断が有効であることが知られてきた。また、プリオン遺伝子の遺伝子検査も家族性、孤発性を問わず診断には重要である。

　これまでに発見されたウイルスなどの感染性因子は、遺伝情報としてDNAやRNAなどの核酸を保持している。しかし、プリオン病の病原体であるプリオンには、DNAやRNAは検出されていない。また、[[wikipedia:ja:核酸分解酵素|核酸分解酵素]]による処理や[[wikipedia:ja:紫外線|紫外線]]などの核酸障害処理に対してプリオンは耐性を示す。しかし、[[wikipedia:ja:フェノール|フェノール]]、[[wikipedia:ja:グアニジン塩酸塩|グアニジン塩酸塩]]、[[wikipedia:ja:尿素|尿素]]などのタンパク質変性剤に対しプリオンは感受性を示す。このことはプリオンが核酸に依存しない、タンパク質からなる感染因子であることを示している。Prusinerらは、スクレイピーに感染した脳から、プリオンを高純度に含む分画を精製することに成功し、この分画に特異的に認められるタンパク質としてPrP^Scを同定した。さらにPrP^Scがプリオンの感染価と一致した挙動を示すことを見出し、PrP^Scがプリオンであるとするプリオン仮説を提唱した。プリオン仮説によれば、PrP^ScがPrP^CをPrP^Scに変換させることによってPrP^Scが新たに産生され、プリオンは複製し伝播すると考えられている。

　プリオン仮説を支持する実験結果にプリオン遺伝子（''PRNP''）欠損(PrP^-/-)マウスを利用した実験がある。PrP-/-マウスではPrP^CもPrP^Scも存在しない。そのためプリオン仮説が正しければPrP-/-マウスは病原性のプリオンに感染せずプリオン病を発病しないはずである。感染実験の結果、野生型マウスでは感染しプリオン病を発病する条件においても、PrP-/-マウスではプリオンに感染せずプリオン病は発病せず、プリオンの感染・伝播にはPrP^Cが必要であることを示している<ref><pubmed> 8100741 </pubmed></ref>。さらに、PrP^CからPrP^Scへの変換が試験管内で起きることや<ref><pubmed> 7913989 </pubmed></ref>、[[wikipedia:ja:大腸菌|大腸菌]]から精製したPrPをPrP^Sc様の構造に試験管内で変換することによって感染性のあるPrPを作成できることが知られており<ref><pubmed> 15286374 </pubmed></ref>、これらの結果はプリオン仮説を強く支持している。一方でプリオン病は未知の[[wikipedia:ja:スローウイルス|スローウイルス]]が原因であるとの主張もある。

　哺乳類のプリオン病は経口摂取により感染すると考えられているが、その詳細な感染過程については不明である。プリオンの不活性化には、[[wikipedia:ja:熱|熱]]、[[wikipedia:ja:放射線|放射線]]、[[wikipedia:ja:ホルマリン|ホルマリン]]などの処理では不十分であり、強酸、高温、高圧の処理が必要である。このことがプリオン病の封じ込めが難しい一つの要因となっている。

　タンパク質のみからなる感染性因子（遺伝因子）としてのプリオンは、[[wikipedia:ja:酵母|酵母]]や[[wikipedia:ja:カビ|カビ]]などの菌類においても見出されており、精力的に研究が行われている。菌類におけるプリオンの発見は1994年にWicknerが[[wikipedia:ja:出芽酵母|出芽酵母]](''Saccharomyces cerevisiae'')の[''[[wikipedia:URE3|URE3]]'']や[''[[wikipedia:PSI+|PSI⁺]]'']といった細胞質性の遺伝因子がプリオンの要素を満たしており、それぞれ[[wikipedia:Ure2|Ure2]]、[[wikipedia:Sup35|Sup35]]タンパク質が構造変化を起こしたものが原因となっていることを発見した<ref><pubmed> 7909170 </pubmed></ref>。その後、出芽酵母では[[wikipedia:Rnq1|Rnq1]]、[[wikipedia:Swi1|Swi1]]、[[wikipedia:Cyc8|Cyc8]]などいくつかのプリオンとなるタンパク質（プリオン化タンパク質）が同定されている<ref name="ref3" />。また、[[分裂酵母]]の[[wikipedia:Cin|Cin]]や[[wikipedia:ja:タマホコリカビ|タマホコリカビ]]の[ [[wikipedia:Het-s|Het-s]] ]などもプリオンであると考えられている。出芽酵母において発見されたプリオンタンパク質の特徴の一つとして、[[wikipedia:ja:グルタミン|グルタミン]]とアスパラギンに富んだドメインを有しており、このドメインが構造変化に大きく寄与していると考えられている。また、出芽酵母では100を超えるタンパク質がそのようなドメインを有し、プリオン化する可能性が高いと考えられている。一方、動物のPrPタンパク質や[Het-s]の原因タンパク質であるHET-sはそのようなドメインを有していない。また、出芽酵母においてもそのようなドメインを有さないプリオン化タンパク質として[[wikipedia:Mod5|Mod5]]が同定され、さらに多くのタンパク質がプリオン化する可能性があると考えられている<ref><pubmed> 22517861 </pubmed></ref>。

　出芽酵母は、モデル生物として広く利用されている生物であり、プリオン研究においても有用なモデル生物として利用されてきた。特に[[wikipedia:ja:大腸菌|大腸菌]]から精製したプリオン化タンパク質を酵母内に導入することで酵母をプリオン化させる、タンパク質の凝集体の性質の違いによってプリオン株の違いが引き起こされる、などプリオン仮説を強く支持するような研究結果が出芽酵母において報告されている<ref><pubmed> 15029196 </pubmed></ref>。

　[[wikipedia:ja:ショウジョウバエ|ショウジョウバエ]]や[[wikipedia:ja:アメフラシ|アメフラシ]]の神経細胞における[[cytoplasmic polyadenylation element binding protein]] (CPEB)はプリオンのように振る舞うことによって、[[長期記憶]]の形成と維持に関わっていることがわかってきている。アメフラシ(''Aplysia'')は神経細胞が大きいため神経細胞研究のモデル生物として利用されている。アメフラシのCPEB（ApCPEB）はシナプスの活性に依存してプリオン化状態に類似したオリゴマーを形成することがわかっており、オリゴマー形成が長期記憶の維持に重要であることがわかっている<ref><pubmed> 20144764 </pubmed></ref>。ショウジョウバエにおけるCPEBの一つである[[Orb2]]も同様のオリゴマーを形成し、オリゴマー形成が長期記憶の維持に重要であることがわかっている<ref><pubmed> 22284910 </pubmed></ref>。これらのことから、神経細胞におけるCPEBのプリオン化状態に類似したオリゴマー形成が長期記憶の形成・維持に重要であることがわかり、プリオンが長期記憶の形成・維持という細胞機能の制御に重要であることを示している。