「銅・亜鉛-スーパーオキシドディスムターゼ」の版間の差分

　銅と亜鉛を含有するSOD（SOD1）は1969年にMcCordとFridovichによって同定された<ref name=Li1995><pubmed>7493016</pubmed></ref>[1]。1930年代にウシの肝臓やヒト血液等から精製されていた薄青色の機能不明な銅タンパク質が見出されていたが、これらの銅タンパク質とSOD1が同一のタンパク質であることが触媒機構とともに証明された<ref name=Li1995><pubmed>7493016</pubmed></ref>[1]。SOD1はサブユニットあたり1分子ずつのCuとZnを持つ二量体（32 kDa）('''図2A''')で、あらゆる細胞に存在するが、特に肝臓と赤血球に多く発現している。

　1970年にマンガンを含むMn-SOD（SOD2）が大腸菌で発見され<ref name=McCord1969><pubmed>5389100</pubmed></ref>[2]、ニワトリ肝臓からも精製された<ref name=Keele1970><pubmed>4921969</pubmed></ref>[3]。SOD2はMnを活性部位に持つ四量体（88 kDa）で、あらゆる細胞のミトコンドリアマトリックスに存在している。1973年には鉄を含有するFe-SODが大腸菌中で発見された<ref name=Weisiger1973><pubmed>4702877</pubmed></ref>[4]。Fe-SODは最も古い形のSODと考えられている。

　1982年になって、ヒトの血清から、SOD1と同じく銅と亜鉛を含み、シアンに阻害されるがSOD1抗体には反応しない第4のSOD （細胞外SOD, extracellular-SOD, SOD3）が発見された<ref name=Yost1973><pubmed>4352182</pubmed></ref><ref name=Marklund1982><pubmed>7172448</pubmed></ref>[5] [6]。SOD3はサブユニットあたり1分子ずつのCuとZnを持つ四量体（135 kDa）で、SOD1と60％の相同性を持ち、ヘパリン結合性の糖タンパク質である。立体構造もSOD1ダイマーを２つ重ね合わせた構造を有するが、血管内皮細胞や気管上皮細胞で多く発現し、細胞外に分泌されている。

　なお、SOD1は大腸菌のような原核生物や酵母、カビにも存在している。嫌気性細菌にもSODがあり、酸素が地球上に発生する前（30億年前）から生物はSODを獲得していたことがわかっている。嫌気性のメタン菌や硫酸還元菌はFe-SODをもっており、好気性の非硫黄細菌はMn-SODをもっている。Mn-SODとFe-SODはほぼ同一の活性中心と50％近い配列相同性を有しており、よく似た性質をもつ<ref name=Vance1998><pubmed>9548935</pubmed></ref> [8]。微生物の中にはニッケルを含有するNi-SODをもつものもある<ref name=Youn1996><pubmed>8900409</pubmed></ref> [9]。

　ヒトではCu,Zn-SOD（SOD1）、Mn-SOD（SOD2）、 EC-SOD（SOD3）の３種類のSODアイソザイムが存在し、それぞれ、主に細胞質、ミトコンドリア、細胞外に局在して抗酸化作用を発揮している。図１に各アイソザイムの特徴をまとめた。SOD2の欠損マウスだけが出生直後に致死となることから、SODアイソザイムの中で最も重要であるといえる<ref name=Marklund1982b><pubmed>6961438</pubmed></ref> [7]。

　好気性生物の細胞内呼吸であるミトコンドリアの電子伝達系からは、酸素が不完全に還元されたスーパーオキシドアニオンラジカル（以下スーパーオキシド）が漏れ出ている。SODは最初のラジカル消去に働く最も重要な抗酸化酵素である。SODはスーパーオキシドを過酸化水素と酸素に変換する不均化反応 『 2O2・- + 2H+ → O2 + H2O2 』 を触媒する。不均化反応とは、同一種の基質が2種類以上の異なる種類の生成物を与える化学反応のことである。SOD1の場合は、2価の銅イオンがO2・-をO2に酸化して銅イオンは１価になり、その1価の銅イオンがO2・-をH2O2に還元して銅イオンは2価に戻ることを繰り返している。活性中心がFe (3価 ⇔ 2価)やMn (3価 ⇔ 2価)でも同様の触媒機構が働いている（図３A）。銅イオンや鉄イオンが存在すると過酸化水素と反応してより毒性の高いヒドロキシラジカル（・OH）ができてしまうので、生成した過酸化水素はカタラーゼやグルタチオンペルオキシダーゼなどによって水にまで還元される（図３B）。電子伝達系以外にキサンチンオキシダーゼやNADPHオキシダーゼによってもスーパーオキシドは産生される。

　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。

==== 家族性ALSを引き起こすSOD1変異 ====

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。

==== ALSにおけるSOD1のミスフォールディングと凝集 ====

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]。

==== SOD1と銅シャペロンタンパク質との関係 ====

　真核生物ではSOD1に銅イオンを渡す銅シャペロンタンパク質（Copper chaperon for SOD1, CCS）が働いており、CCSを欠損した酵母は致死となる<ref name=Culotta1997><pubmed>9295278</pubmed></ref> [35]。しかし、CCSをノックアウトさせたマウスとALSモデルマウスであるG37R、G93A、G85R ｔｇマウスをそれぞれ掛け合わせても発症時期や罹病期間に変化は見られず、CCSによる銅配位とALSには関係がないと思われた<ref name=Subramaniam2002><pubmed>11889469</pubmed></ref> [36]。一方、CCSの高発現はALS病態を増悪させてしまうこともある。ヒトCCSとG93AまたはG37Rとのダブルトランスジェニックマウスでは早期からミトコンドリアの空胞化が見られ、生存期間が元のG93AやG37Rトランスジェニックマウスの生存期間より著しく短縮した。一方、銅イオンを配位できない変異SOD1とのダブルトランスジェニックマウスでは変化は見られなかった <ref name=Son2007><pubmed>17389365</pubmed></ref><ref name=Son2009><pubmed>19320055</pubmed></ref> [37, 38］。つまり、銅イオンが少ない条件でCCSと銅配位できる変異SOD1を高発現させると変異SOD1に銅が輸送されてしまい、他の銅要求性タンパク質（ミトコンドリアのシトクロムｃオキシダーゼなど）が銅不足になったことがALS増悪の原因だと考えられている。なお、CCSの一次構造は中央部分がSOD1と相同性が高く（47％）、N末とC末の両側に拡張した領域を持つ。結晶構造解析によると、相同性の高いCCSの中央部分のダイマー構造はSOD1ダイマーと非常によく似ていた<ref name=Lamb1999><pubmed>10426947</pubmed></ref> [39]。ALS患者の脊髄でSOD1-CCSヘテロダイマー中間体も検出されている<ref name=Antinone2017><pubmed>28120938</pubmed></ref> [40]。

==== ALSにおけるタンパク質分解機構の関与 ====

　異常タンパク質の分解に関わるユビキチン-プロテアソーム系やオートファジー・リソソーム系の機能低下は、ミスフォールドタンパク質を分解できず凝集化を促進するため神経変性疾患の原因と考えられている<ref name=Bence2001><pubmed>11375494</pubmed></ref><ref name=Cuervo2004><pubmed>15102438</pubmed></ref> [41, 42]。ユビキチン免疫陽性の封入体はALSをはじめ神経変性疾患患者の病変部位でよく観察される。細胞の実験においてもプロテアソーム阻害剤は変異SOD1の分解を阻害し、ポリユビキチン化SOD1の蓄積を誘導する<ref name=Urushitani2002><pubmed>12437574</pubmed></ref> [43]。また神経細胞特異的にオートファジー経路をノックアウトしたマウス(Atg5KO)は運動機能の低下を示し、脳にもユビキチン免疫陽性の封入体が多く見つかっている<ref name=Hara2006><pubmed>16625204</pubmed></ref> [44]。しかし、オートファジー経路をノックアウトしたマウスとG93Atgマウスを掛け合わせたところ、発症は早くなったが生存期間は逆に延長した<ref name=Rudnick2017><pubmed>28904095</pubmed></ref> [45]。さらに、運動ニューロン特異的にプロテアソーム系を障害させたマウスはALSに似た運動ニューロン死を誘導したが、オートファジー系を障害させたマウスでは運動機能に異常が認められなかった。つまり、運動ニューロン障害においてはオートファジー・リソソーム系よりもユビキチン・プロテアソーム系が主因となっている可能性がある<ref name=Tashiro2012><pubmed>23095749</pubmed></ref> [46]。

==== ALSにおけるミトコンドリア機能障害 ====

　ALSでミトコンドリア機能障害が起こることは研究早期から提唱されてきた。変異SOD1ｔｇマウスの運動ニューロンでミトコンドリア内のCa2+緩衝作用と呼吸能障害が見出されている<ref name=Mattiazzi2002><pubmed>12050154</pubmed></ref><ref name=Damiano2006><pubmed>16478527</pubmed></ref> [47, 48]。ミトコンドリアが傷害されるとシトクロムｃが放出されアポトーシスが誘導されるが、アポトーシス経路を遮断するとALSモデルマウスの生存期間が延長したとの報告もある<ref name=Reyes2010><pubmed>20890041</pubmed></ref> [49]。変異SOD1 tgマウスの筋肉細胞で見られるミトコンドリアのuncoupling protein 3 (UCP3) の上昇は、ALSにおけるエネルギー代謝の亢進による脂肪量の減少に関与している<ref name=Dupuis2003><pubmed>14500553</pubmed></ref> [50]。一方、神経保護に働くUCP2を高発現させたG93A tgマウスは逆にALSの進行が早まった<ref name=Peixoto2013><pubmed>24141050</pubmed></ref> [51]。

==== ALSにおけるオルガネラ異常 ====

　神経変性疾患の原因の一つとして小胞体（ER）ストレスが考えられている。ALSにおいても、ミスフォールディングした変異SOD1が運動ニューロン内のERに蓄積してERストレスを誘導することで脆弱な運動ニューロンが細胞死に至ると考えられている<ref name=Nishitoh2008><pubmed>18519638</pubmed></ref><ref name=Atkin2008><pubmed>18440237</pubmed></ref><ref name=Saxena2009><pubmed>19330001</pubmed></ref> [52, 53, 54]。さらに、ALS患者や変異SOD1ｔｇマウスにおいて、ゴルジ体の断片化<ref name=Mourelatos1996><pubmed>8643599</pubmed></ref><ref name=Bellouze2016><pubmed>27277231</pubmed></ref>[55, 56]や核膜形態異常<ref name=Kinoshita2009><pubmed>19816199</pubmed></ref>[57]、核輸送障害<ref name=Zhong2017><pubmed>28463106</pubmed></ref>[58]なども観察されており、ミトコンドリア以外のオルガネラ異常の関与が注目されている。

==== ALSにおける非細胞自律性神経細胞死 ====

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=Boillee2006><pubmed>16741123</pubmed></ref><ref name=Yamanaka2008><pubmed>18246065</pubmed></ref>[59, 60]。

=== SOD1欠損 ===

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]。

==== SOD1欠損症 ====

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。

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

2-MEの有無に関わらず、野生型SOD1結晶構造のCys111付近は非対称で向き合う構造が多く、ALS変異型SOD1では対称になっている場合が多い<ref name=Ihara2012><pubmed>22804629</pubmed></ref> [12]。

同じ色のβストランドが水素結合により、逆平行βシートを形成する。SOD１のアミノ酸配列から見たβストランドはa, b, c, d. e. f. g. hの順に並んでいる。SOD1ではグリークキー (Greek key) 構造 が２つ存在する。この構造は、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 (SOD1ではループIIIとループVI) によって3番目のストランドと結合している。