「パルミトイル化」の版間の差分

== ''S''-パルミトイル化：可逆的脂質修飾 ==

[[Image:Palmitoylation Figure1.png|thumb|300px|図1　構造]] 　翻訳後修飾の可逆的制御機構は細胞の秩序維持における不可欠なプロセスであり、[[リン酸化]]、[[ユビキチン]]化、[[アセチル化]]などが知られるが、[[脂質修飾]]の一つである''S''-パルミトイル化（''S''-palmitoylation）もその担い手である。

　タンパク質の脂質修飾は、脂質付加による疎水性上昇効果から細胞質タンパク質の細胞膜への輸送、膜タンパク質の機能性膜ドメインへの側方輸送、タンパク質－脂質相互作用などにおいて重要な役割を果たす。脂質修飾は主に4つに分類され、1）脂肪酸[[wikipedia:ja:アシル化|アシル化]]（fatty acylation）、2）[[wikipedia:ja:プレニル化|プレニル化]]（prenylation）、3）[[wikipedia:ja: グリコシルホスファチジルイノシトール|グリコシルホスファチジルイノシトール]]（GPI）化（glypiation）、および4) [[wikipedia:ja:コレステロール|コレステロール]]化（cholesteroylation）である。''S''-パルミトイル化は脂肪酸アシル化修飾の一つであり、''N''-[[ミリストイル化]]（''N''-myristoylation）とともに最も主要な脂質修飾である<ref><pubmed>17892486</pubmed></ref>。''S''-パルミトイル化は可逆的な[[翻訳後修飾]]であるのに対し、''N''-ミリストイル化は不可逆的な共翻訳時修飾であり、両者は協調的に機能することが多い（詳しくはミリストイル化の項を参照されたい）。

　''S''-パルミトイル化は16炭素鎖飽和脂肪酸のパルミチン酸（C16）がタンパク質のシステイン残基チオール(SH基)にチオエステル結合を介して付加する（図1）。パルミチン酸が一般的であるが、他にも[[wikipedia:ja:ミリスチン酸|ミリスチン酸]]（C14）、[[wikipedia:ja:ステアリン酸|ステアリン酸]]（C18）、その他長鎖脂肪酸が付加される場合もあり、総称して''S''-アシル化（''S''-acylation）と呼ぶこともある。また、パルミチン酸が末端[[wikipedia:ja:アミノ基|アミノ基]]や[[wikipedia:ja:ヒドロキシル基|ヒドロキシル基]]を介してそれぞれ[[wikipedia:ja:アミド結合|アミド結合]]（''N''-パルミトイル化）、[[wikipedia:ja:エステル結合|エステル結合]]（''O''-パルミトイル化）で付加するタンパク質も存在するが、''S''-パルミトイル化とは責任酵素が異なる。本稿では、以後主に''S''-パルミトイル化について概説する。

 

　しかしながら、2000年代前半まで責任酵素が同定されず、''S''-パルミトイル化は酵素非依存的な現象と捉える流れも存在した。パルミトイル化発見から30年近い年月が経ってようやくパルミトイルアシルトランスフェラーゼ（palmitoyl acyl transferase, PAT）活性を担うDHHCファミリータンパク質が同定された<ref><pubmed>12193598</pubmed></ref><ref><pubmed>12370247</pubmed></ref>。近年大規模な''S''-パルミトイル化タンパク質のスクリーニング法が確立され、著しい数のタンパク質がパルミトイル化されることが示された<ref><pubmed>16751107</pubmed></ref><ref><pubmed>19092927</pubmed></ref>。DHHC酵素の発見を皮切りに、パルミトイル化酵素と基質のペアの同定が続々とおこなわれており<ref><pubmed>15603741</pubmed></ref><ref><pubmed>17012030</pubmed></ref><ref><pubmed>20168314</pubmed></ref>、''S''-パルミトイル化が担う細胞レベルの挙動が徐々に輪郭を見せ始めている。  

[[Image:Palmitoylation table 1.png|thumb|right|400px]] 　これまでに多くのタンパク質がS-パルミトイル化修飾されることが明らかになってきた。Ras（H-Ras, N-Ras）や[[チロシンリン酸化#.E9.9D.9E.E5.8F.97.E5.AE.B9.E4.BD.93.E5.9E.8B.E3.83.81.E3.83.AD.E3.82.B7.E3.83.B3.E3.82.AD.E3.83.8A.E3.83.BC.E3.82.BC|Srcキナーゼファミリー]]（Fyn、Lck。但しSrc自体はパルミトイル化されない）、Gタンパク質αサブユニット(Gα_s, Gα_i, Gα_o)などのシグナルタンパク質、各種[[足場タンパク質]]([[PSD-95]], [[GRIP]])、さらには、膜貫通タンパク質である[[グルタミン酸受容体]]などの[[イオンチャネル]]、[[テトラスパニン]](CD9, CD151)、[[インテグリン]]などの[[細胞接着分子]]、[[Gタンパク質共役型受容体]]、ウイルス構成タンパク質など多岐にわたる。特に近年''S''-パルミトイル化の大規模探索（下記参照）がおこなわれ、非常に多くのタンパク質が候補として挙げられている。表１に主なパルミトイル化タンパク質を示す。

 

　パルミトイル化蛋白質すべてに共通するコンセンサス配列は現時点では決定されていないが（下記参照）、これまでの知見を基に、''S''-パルミトイル化の予測プログラムCSS-palmが開発されておりインターネット上でフリーソフトとして配布されている。詳しくは[http://csspalm.biocuckoo.org/ こちら]を参照されたい。  

　2002年に[[wikipedia:ja:酵母|酵母]]を用いた[[wikipedia:Forward genetics|順行性遺伝学]]的手法によりErf2/Erf4複合体^[4]、Akr-1^[5]が''S''-パルミトイル化酵素(PAT)として同定された。Erf2（effector of Ras function 2）は4回膜貫通タンパク質でErf4と複合体を形成してRas2のパルミトイル化を担う。Akr-1（ankyrin repeat containing-1）は酵母[[カゼインキナーゼ]]Yck2をパルミトイル化する。相同性解析の結果これらはともに複数回の膜貫通領域に加えて、細胞質内領域に約50アミノ酸からなるシステインリッチドメイン（cysteine rich domain; CRD）を有しており、このドメイン内にパルミトイル化に不可欠なDHHC（Asp-His-His-Cys）配列を有していた（図2A）。[[wikipedia:ja:ゲノム|ゲノム]]データベース上、酵母では7種類、[[wikipedia:ja:哺乳動物|哺乳動物]]では24種類のDHHCファミリータンパク質が存在する（図2B；表2）。これまで、パルミトイル化反応がパルミトイル-CoA存在下で非酵素的に進行することも知られていたが、少なくとも酵母ではDHHCファミリータンパク質が細胞内のパルミトイル化の大部分を担っていることが示された^[6]。また哺乳類のDHHCファミリー遺伝子を用いた活性スクリーニング法(下記参照)などにより、24種類のうちのほとんどが何かしらの基質に対して酵素活性を示すことが明らかになってきた（表2）。DHHCタンパク質ファミリーは、CRDの相同性からさらにサブファミリーに分類できる（図2B）。DHHC酵素の基質特異性は、サブファミリーごとに保存される傾向にあり、またひとつの基質は複数のDHHCタンパク質（サブファミリー）により修飾されうる（表2）。  

　GFP融合DHHCタンパク質を過剰発現させた系で局在が調べられており、ほとんどが[[wikipedia:ja:小胞体|小胞体]]または[[wikipedia:ja:ゴルジ体|ゴルジ体]]に存在しており、一部細胞膜に局在していた（表2）<ref><pubmed>16647879</pubmed></ref>。したがって発現部位の特異性は低いと思われるが、DHHCタンパク質の発現量の少なさゆえに[[wikipedia:ja: 抗体|抗体]]による特異的検出が難しく、内在性DHHCタンパク質の局在に関してはほとんど明らかにされていない。最近の特異的抗体を用いた局在解析の結果、DHHC2は過剰発現系では小胞体/ゴルジ体に確認されたのに対して、内在性DHHC2は小胞（vesicle）上にも局在していた。その一方で、同じく過剰発現系でゴルジ体に見られたDHHC3は内在性酵素もゴルジ体に局在していた<ref><pubmed>19596852</pubmed></ref>。DHHC2および3は複数の基質において重複が確認されている。DHHCタンパク質それぞれの細胞内局在が''S''-パルミトイル化反応の時間・空間的制御機構に関与する可能性を示唆している。  

　酵母Saccharomyces cerevisiaeのErf2の解析から DHHC-PATによる''S''-パルミトイル化は2段階のプロセスからなることが報告された<ref><pubmed>20851885</pubmed></ref>。1）パルミトイル-[[wikipedia:ja:補酵素A|CoA]]存在下で、DHHC配列のうちCys残基が自己パルミトイル化（autopalmitoylaton）された後、2）基質のCys残基にパルミトイル基が移行する。''S''-パルミトイル化のコンセンサス配列は現時点では明らかになっていないが、現在進められている酵素-基質ペアの同定により、各DHHCタンパク質が認識するパルミトイルモチーフが異なることが明らかになってきており、DHHCタンパク質個々（あるいはサブファミリーごと）のコンセンサス配列が存在する可能性がある。  

[[Image:Palmitoylation table2.png|thumb|left|600px|表2　DHHCファミリー]]  

　これまでタンパク質パルミトイルチオエステラーゼ（Palmitoyl-protein thioesterase (PPT), 脱パルミトイル化酵素）として[[wikipedia:LYPLA1|acyl protein thioesterase 1]] (APT1)と[[wikipedia:PPT1|PPT1]]が報告されている<ref><pubmed>9624183</pubmed></ref><ref><pubmed>7916016</pubmed></ref>。ATP1はラットの[[wikipedia:ja:肝臓|肝臓]]からリゾホスフォリパーゼとして同定され、その後RasやeNOSに対する脱パルミトイル化活性が見出された。PPT1（Palmitoyl-protein thioesterase 1）はウシの[[脳]]からH-Rasを脱パルミトイル化する酵素として同定された。APT1は[[wikipedia:ja:細胞質|細胞質]]タンパク質である一方、PPT1は膜タンパク質で管腔側に酵素活性部位がある（管腔側にあると細胞質側の基質に接近出来ないような来ますが、それは大丈夫なのでしょうか。）。APT1、PPT1のいずれが、細胞膜あるいは細胞質内膜直下に存在する多くのパルミトイル化タンパク質に広く作用する酵素であるのかについては、まだ不明である。また、APT1、PPT1で脱パルミトイル化されない''S''-パルミトイル化タンパク質も多数存在する。PATの多様性からPPTも相同性の高いファミリーが担っている可能性が予測されるがAPT2やPPT2が該当するのか、あるいは他の未知のファミリーが存在しているのか、現時点では不明である。

　上記の通り少数ではあるが''N''-パルミトイル化タンパク質が存在する。主に細胞外分泌タンパク質にみられる。[[ソニックヘッジホッグ]]（Sonic Hedgehog）が代表的であり、[[wikipedia:Hhat|ヘッジホッグアシルトランスフェラーゼ]]（Hedgehog acyltransferase&nbsp;: Hhat）により''N''-パルミトイル化される。HhatはMBOAT（membrane-bound O-acyltransferase）に属している。MBOATは複数回膜貫通タンパク質であり、相同性があるタンパク質の配列の解析からMBOATのパルミトイル化酵素活性に重要なアミノ酸が明らかにされている<ref><pubmed>20585641</pubmed></ref>。  

（この節、脂質ラフトに関する記述を最後にまとめました。如何でしょうか？） 　細胞質タンパク質はその合成直後にゴルジ膜に存在するPATにより''S''-パルミトイル化され、疎水性が著しく上昇するため細胞膜近傍へ輸送され、細胞膜に繋ぎとめられると考えられる（図3A）。PPTにより脱パルミトイル化されると細胞膜から解放され、細胞質あるいはゴルジ体表面へと輸送される。最近、生細胞イメージングにより、H-Ras やG&amp;alpha_qなどの''S''-パルミトイル化タンパク質が、パルミトイルサイクルに応じて、細胞膜とゴルジ体の間をシャトリングする現象が明らかになった<ref><pubmed>15705808</pubmed></ref><ref><pubmed>19001095</pubmed></ref>。 Gα_qの''S''-パルミトイル化酵素であるDHHC3はゴルジ体膜上で機能しており、PATの局在部位と活性がシャトリングの場所と速度を規定すると考えられる^[18]。

　膜タンパク質においても''S''-パルミトイル化はゴルジ体から細胞膜への輸送、脂質ラフトへの側方輸送（図3B-a）、タンパク質―タンパク質相互作用（図3B-b,c）、コンフォメーション変化によるタンパク質の活性制御において重要であると考えられている。

<br> [[Image:Plamitoylation Figure3.png|thumb|left|250px|図3 <i>S</i>-パルミトイル化の生理的機能]]  

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　S-パルミトイル化タンパク質の検出には[³H]-パルミチン酸による[[wikipedia:ja:放射性同位元素|放射性同位元素]]を用いた[[wikipedia:Isotopic labeling|代謝標識法]]がよく用いられ、''S''-パルミトイル化タンパク質の多くはこの手法により解析されてきた。しかし、放射性同位元素の検出感度には限界があり、微量タンパク質の検出には向いていない。現在は5.2（図４の事でしょうか？）で示す方法もよく利用されるようになっている。  

　後者は末端アルキルを有するパルミチン酸誘導体17-ODYAで、細胞内のパルミトイル化タンパク質を代謝標識し、[[wikipedia:ja:クリックケミストリー|クリックケミストリー]]を利用してタグを導入する方法で、タグを利用して[[wikipedia:Affinity chromatography|アフィニティー精製]]が可能である（図4B）。  

[[Image:Palmitoylation Figure4.png|thumb|right|300px|図4　S-パルミトイル化タンパク質の精製方法]]  

　哺乳類のDHHCファミリー遺伝子を用いた活性スクリーニング法が用いられている。培養細胞に基質タンパク質および各DHHC酵素を共発現させ、[³H]-パルミチン酸代謝標識により酵素依存的なS-パルミトイル化の上昇を調べる^[8][9]。一方、酵母では、7種類のDHHCファミリータンパク質のそれぞれ（あるいは複数）を欠失した変異体と上記ABE法-質量分析法を組み合わせて、変異体でパルミトイル化レベルが低下するタンパク質を同定することにより、DHHC酵素-基質ペアが同定されている^[6]。  

　これまで脂質系[[阻害剤]]と低分子性阻害剤がDHHC酵素阻害剤としていくつか報告されている。脂質系阻害剤では2-ブロモパルミチン酸(2-bromopalmitate; 2-BP)、Cerulenin（2,3-epoxy-4-oxo-7,10-dodecadienoylamide）、[[wikipedia:ja:抗生物質|抗生物質]][[wikipedia:tunicamycin|ツニカマイシン]]が阻害能を示す。特に2-BPはS-パルミトイル化サイクルのターンオーバーの解析などに利用されている。しかし、これらはいずれもDHHC酵素特異的ではなく、脂質代謝系酵素にも影響を及ぼす。近年、脂質ペプチドを用いたDHHC酵素阻害剤のハイスループットスクリーニングの確立により、低分子性化合物が5つ報告された。そのうち4つがRasなどのプレニル化タンパク質のパルミトイル化をターゲットとしたもので、''in vivo''において抗腫瘍活性を示した。残りの1つはSrcファミリーなどの''N''-ミリストイル化タンパク質のパルミトイル化をターゲットとしている。詳細は<ref><pubmed>19152182</pubmed></ref>を参考されたい。''S''-パルミトイル化はさまざまな生理・病理現象に関与しているので、''S''-パルミトイル化修飾の阻害剤は次項で示すようなさまざまな疾患の治療薬としても期待できる。  

　表1に示したようにDHHC酵素によりS-パルミトイル化されるタンパク質の機能は多岐にわたり、S-パルミトイル化は細胞の[[wikipedia:ja:恒常性|恒常性]]維持に欠かせないプロセスである。その一方で、パルミトイル化制御システムの破綻は疾患の引き金になり、その[[wikipedia:ja:表現型|表現型]]も多岐にわたっている。これまでに報告されているDHHC酵素と関連疾患を表2に示す。  

　[[wikipedia:ja:癌遺伝子|癌遺伝子]]として知られるSrcキナーゼファミリーや低分子Gタンパク質Rasの機能は''S''-パルミトイル化により制御されている。そのためSrcファミリーやRasの過剰な''S''-パルミトイル化は[[wikipedia:ja:細胞増殖|細胞増殖]]や[[wikipedia:ja:細胞運動|細胞運動]]の秩序を破綻させうると考えられる。DHHC2、DHHC9、DHHC11、DHHC17がある種の癌と関連することが示されているが、その病態機構は明らかではない。  

<references />  

<br> (執筆者：関谷敦志、深田優子、深田正紀　編集委員：林　康紀）