「カルパイン」の版間の差分

　カルパインは、[[カルシウム]]により活性化される細胞内[[プロテアーゼ]]として1960～70年代に[[wj:東京大学|東京大学]]の[[wj:今堀和友|今堀]]・鈴木らによってCANP（calcium-activated neutral protease）として精製・同定され[1][3, 4, 5]、1980年に[[wj:京都大学|京都大学]]の村地によりカルパイン(calcium-dependent papain-like enzyme)と命名された[6]。

　この当時に同定されたカルパインは、生体内の多くの組織に広く発現を示す組織普遍的カルパイン、[[カルパイン1]]および[[カルパイン2]]として知られている。その後、1989年に[[骨格筋]]から[[カルパイン3]]（発見当初はp94と呼ばれた）が発見された[7]のを皮切りに多くの特定の組織に発現を示す組織特異的カルパインが同定され、[[ヒト]]においては15の遺伝子が同定されている。

　カルパインは[[ユビキチン]]・[[プロテアソーム]]系や[[オートファジー]]系など細胞内タンパク質を[[アミノ酸]]レベルに分解する機構とは異なり、カルシウムなどの刺激によって基質の一部を分解することで、その機能を不可逆的に変化する「モジュレータ・プロテアーゼ」である[1]。カルパインの中でもこれまでに最も研究が進んでいるのはカルパイン1およびカルパイン2であり、[[脳神経]]系では主にこれらのカルパインが機能していると考えられる。神経特異的に発現あるいは機能を示すカルパインの有無については不明である。

　なお、これまでカルパイン1およびカルパイン2はその''in vitro''における活性化に必要なカルシウム濃度（それぞれμMオーダー（10^-6－10^-4M）およびmMオーダー（10^-3M））の違いから、それぞれ[[μ-カルパイン]]および[[m-カルパイン]]と呼ばれてきた。しかし、実際の細胞内カルシウム濃度は数十nMから数十μM（10^-8M－10^-5M）程度でありmMオーダーのような高濃度になることは考えづらく、名称からの誤解を招きかねないことからアミノ酸配列をベースにした命名が提唱され、現在の呼び方が推奨されている [8]。

　活性サブユニットはアミノ末端から順にアンカーへリックス領域、2つのプロテアーゼ・コアドメイン（PC1およびPC2）、カルパイン型βサンドウィッチドメイン（CBSW、以前までC2様ドメインと呼ばれた[9]）およびペンタ[[EFハンド]]ドメイン（PEFドメイン）から構成される。一方、調節サブユニットはアミノ酸末端に[[グリシン]]リッチドメイン、カルボキシル末端にPEFドメインを有する。

　また、構造的な分類としてカルパイン1および2と同様のドメイン構造をもつものを[[古典的カルパイン]]（CAPN 3, 8, 9, 11, 12, 13, 14）、CBSWドメインやPEFドメインをもたないものを[[非古典的カルパイン]]（CAPN 5, 6, 7, 15, 16）と呼ぶ[10]。

　カルパイン1および2を含め組織普遍的なカルパインは様々な組織に広く発現している。一方、組織特異的なカルパインとしてはカルパイン3（骨格筋）、カルパイン6（胎児[[筋肉]]および胎盤）、カルパイン8 / 9（消化管・胃腸管）、カルパイン11（精巣）、カルパイン12（毛包）が存在する[10]。

　一方、細胞内でこれらカルパインの活性化に必要なカルシウム濃度へ達することは病理的状態（例えばカルシウム恒常性の破たんなど）以外で考えづらいことから、生理的状態におけるカルパイン1および2の活性化にはカルシウム以外の何らかの制御機構が存在する可能性が指摘されている。例えば、カルパイン2については[[EGF]]刺激を介した[[酸性リン脂質]]による活性化[11]や[[BDNF]]刺激を介した[[ERK]]による[[リン酸化]]修飾により制御されることが報告されている[12]。

　また、[[カルパイン3]]についてはCa²⁺のほかNa⁺によって活性化されることが最近明らかとなり、それぞれの[[イオン]]により異なる基質特異性を示すことがわかっている[13]。

　カルパインはプロテアソームに対するユビキチンやオートファジーに対する[[オートファゴソーム]]のように基質に特定のタグを必要とせず、直接的に基質の認識を行う。その基質特異性は、特定のアミノ酸配列による一次構造ではなく高次の立体構造によって決定されていると考えられている。カルパイン1および2の代表的な基質としては細胞骨格タンパク質である[[αIIスペクトリン]]（[[α-フォドリン]]）が知られ、全長αIIスペクトリン（分子量280kDa）からの切断産物（分子量150kDaおよび136kDa）はしばしばカルパイン活性化の簡便な指標として用いられる。その他の基質としては[[MAP1B]]、[[MAP2]]、[[ニューロフィラメント]]、[[アクチン]]などの[[細胞骨格]]系タンパク質のほか、[[NMDA型グルタミン酸受容体]]、[[AMPA型グルタミン酸受容体]]などの[[受容体]]タンパク質、[[CaMKII]]や[[PKC]]、[[PP2B]]などの各種酵素[14]、[[Cdk5活性化因子]][[p35]]などが同定されている[15, 16]。

　カルパインは生体調節因子として極めて重要である一方、その異常活性化は種々の病態に関与することが示されている[2]。

　[[遺伝子改変マウス]]の解析例として、カルパイン1欠損マウスでは目立った表現型はみられないが[17]、カルパイン2欠損マウスおよびCAPNS1欠損マウスでは[[wJ:胚性期|胚性期]]に致死を示すことから、カルパイン2は初期発生に必須である[18, 19]。また、カルパイン3の遺伝子変異は[[肢帯型筋ジストロフィー]]の原因として同定されている[20]ほか、カルパイン10の[[SNP]]と[[wj:2型糖尿病|2型糖尿病]]との関連が報告されている[21]。

　一方、神経特異的なCAPNS1[[コンディショナル欠損マウス]]においてはカルパイン1および2の発現量低下とともに[[樹状突起]]の形態異常や[[LTP]]の減弱がみられることから[22]カルパイン1および2と[[シナプス可塑性]]との関連が強く示唆されるが、その詳しいメカニズムについては不明である。

　[[アルツハイマー病]]患者脳において活性化カルパイン量の上昇が報告されて以来[23]、カルパインと[[アルツハイマー病]]との関連が多数報告されている。最新のアルツハイマー病モデルマウスを用いた研究からは、カルパインが[[アミロイド]]斑の形成促進と[[神経炎症]]の増悪化に関与する可能性が示されている[24]。

　また、[[スナネズミ]]を用いた[[虚血モデル]]の研究では脳虚血時の[[神経細胞死]]に先立ってカルパイン活性の上昇がみられることから[25]、カルパインは[[血管型認知症]]における[[遅発性神経細胞死]]にも関与する可能性がある。

　一方、[[発達障害]]疾患である[[滑脳症]]とカルパインとの関連も報告されている。[[微小管]]モータータンパク質・[[ダイニン]]の局在や機能を制御する[[Lis1]]のヘテロ欠損マウスでは滑脳症を呈するが、カルパインはLis1タンパク質量の制御を介してこれらの病態に関与することが示されている[26]。これら病態解析を目的として、カルパスタチンの過剰発現マウスおよび欠損マウスが作製されており[27, 28]、それらを用いた新たな知見が得られている[29, 30]。

[9] Calpain Research Portal > Structure and nomenclature > Conventional calpains : http://calpain.net/structure/conventional.html