補体成分4

補体成分4A(ロジャース血液型)
識別子
シンボルC4A
NCBI遺伝子720
HGNC1323
オミム120810
参照シーケンスNM_007293
ユニプロットP0C0L4
その他のデータ
軌跡第6章21.3ページ
検索する
構造スイスモデル
ドメインインタープロ
補体成分4B (千堂血液型)
識別子
シンボルC4B
NCBI遺伝子721
HGNC1324
オミム120820
参照シーケンスNM_000592
ユニプロットP0C0L5
その他のデータ
軌跡第6章21.3ページ
検索する
構造スイスモデル
ドメインインタープロ

ヒトにおける補体成分4C4 )は、複雑な補体系に関与するタンパク質であり、ヒト白血球抗原(HLA)系に由来します。補体成分2(C2)と共役することで免疫反応の生成に不可欠な役割を果たします。C4は、他の多数の成分と共に、免疫、寛容性、自己免疫において重要な機能を担っています。

さらに、補体系は、抗体-抗原(Ab-Ag)複合体によって引き起こされるシステム全体の認識経路を、自然免疫応答の他のエフェクタータンパク質に結びつける上で重要な役割を果たします。例えば、補体系の機能不全の重症度は、致命的な疾患や感染症、さらには統合失調症のような感情障害や精神障害につながる可能性があります。[ 1 ]

C4タンパク質は当初、単純な2遺伝子座対立遺伝子モデルに由来すると考えられていましたが、近年では、より洗練されたマルチモジュールRCCX遺伝子複合体モデルをめぐる科学的コンセンサスが形成されつつあります。このRCCXマルチモジュールモデルには、通常RCCXカセットと並列するC4AまたはC4B遺伝子の長い形式と短い形式、またはコピー数変動のある組み換え部位とともに特定の遺伝子または遺伝子セットを含む可動性遺伝要素が含まれています。このRCCXカセットは、カセットの数と、疑似遺伝子や断片でなく機能遺伝子を含むかどうかによって、場合によってはCYP21とともに集団内でのそれぞれのタンパク質のレベルの変動と多少類似しています。 [ 2 ] C4A-C4B遺伝子モデルはもともとChido/Rodgers血液型システムの文脈で定義され、統合失調症のリスクと発症における役割について調査されています。

歴史

C4 タンパク質に関する初期の遺伝学的研究の 1 つでは、Chido/Rogers または (Ch/Rg) 血液型と呼ばれるヒト血清内に 2 つの異なるグループが特定されました。[ 3 ] [ 4 ] O'Neill らは、2 つの異なる C4 遺伝子座が赤血球膜上で異なる Ch/Rg 抗原を発現することを実証しました。[ 5 ]より具体的には、Ch と Rg の 2 つのタンパク質が、Ab-Ag 複合体とその他の補体成分との相互作用の媒体として一緒に機能します。[ 6 ]さらに、2 つの遺伝子座は、染色体 6 の短腕にある主要組織適合遺伝子複合体(MHC) のヒト類似体である HLA に連鎖していますが、以前は、単一の遺伝子座で 2 つの共優性対立遺伝子によって発現されていると考えられていました。[ 5 ] [ 7 2つの遺伝子変異体を特定しました。Fは4つの速く移動するバンドの存在 (F+) または不在 (f0/ f0) を示し、Sは4つの遅く移動するバンドの存在 (S+) または不在 (s0/ s0) を示します。[ 5 ] 2つの遺伝子座の同質性または異質性、さらにこれらのヌル (f0、s0) 遺伝子が加わることで、C4遺伝子座の重複/非重複が可能になります。[ 8 ]そのため、C4、C4F、C4S (後にそれぞれC4AまたはC4Bと特定) の別々の遺伝子座を持つことで、複数の対立遺伝子型が生成され、大きなサイズとコピー数の変異につながる可能性があります。

2 人の重要な貢献者である Carroll と Porter は、ヒト C4 遺伝子のクローニング研究で、6 つのクローンすべてに同じ C4 遺伝子が含まれていることを示しました。[ 9 ] C4 タンパク質は、分子量 (MW) がそれぞれ約 95,000、78,000、31,000 の 3 つのサブユニット (α、β、γ) で構成されており、それらはすべて鎖間ジスルフィド結合で結合しています。[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] Roos らによる研究では、C4A と C4B の α 鎖がわずかに異なる (MW がそれぞれ約 96,000 と 94,000) ことがわかり、2 つのバリアントの間には実際に構造上の違いがあることが証明されました。[ 11 ]さらに、彼らは、C4 活性の欠如は α 鎖間の構造上の違いに起因する可能性があることを示唆しました。[ 11 ]それにもかかわらず、キャロルとポーターは、ゲノム配列中にイントロンとして機能する1,500 bpの領域があることを実証し、それがC4活性の副産物である既知のC4d領域であると信じました。 [ 9 ]キャロルらはその後、HLAクラスIII領域にあり、染色体上でC2および因子Bに連鎖するC4遺伝子の構造と組織を特徴付ける研究を発表しました。[ 13 ]制限マッピング、ヌクレオチド配列分析、およびC4AとC4Bのハイブリダイゼーションを含む実験により、彼らは、遺伝子が実際にはかなり類似しているが、違いがあることを発見しました。[ 13 ]例えば、一塩基多型が検出され、それによってC4AとC4Bのクラスの違いが可能になりました。[ 13 ]さらに、クラスと対立遺伝子の違いは、免疫複合体に対するC4タンパク質のパフォーマンスに影響します。[ 13 ]最終的に、cDNAクローン断片を重ね合わせることで、推定16キロベース(kb)の長さのC4遺伝子座が10kbの間隔で配置され、因子B遺伝子座から30kbの位置にあることを決定した。[ 12 ] [ 13 ]

同年、関連する研究により、4つのクラスIII遺伝子(C4A、C4B、C2、および因子Bを発現)が密接に連鎖しており、交差が起こらない染色体の98 kbの領域が特定されました。[ 12 ]電気泳動によって視覚化されたタンパク質変異体を使用して、4つの構造遺伝子がHLA-BとHLA-Dの間に位置していました。[ 12 ]より具体的には、遺伝子の順序が因子B、C4B、C4A、C2の順で、C2がHLA-Bに最も近いという提案された分子マップを検証しました。[ 12 ]別の研究で、Lawらはその後、さらに深く調査し、今度は人間の免疫システムで重要な役割を果たしているC4AとC4Bの両方の特性を比較しました。[ 14 ]インキュベーション、異なるpHレベル、メチルアミン処理などの方法を使用して、彼らはC4遺伝子の異なる反応性を生化学的に説明しました。[ 14 ]具体的には、C4B は C4A と C4B の間に 7 kb の違いがあるにもかかわらず、はるかに効率的かつ効果的に反応することが示されている。全血清では、C4B アレルは溶血活性時に C4A アレルと直接比較して数倍の速度で機能した。[ 14 ]生化学的には、C4A は抗体のアミノ酸側鎖およびアミノ基である抗原とより着実に反応するのに対し、C4B は炭水化物のヒドロキシル基とよりよく反応することもわかった。[ 14 ]このように、さまざまな反応性を分析した結果、C4 遺伝子の例外的な多型性が何らかの生物学的利点 (感染時に形成されるより広範囲の Ab-Ag 複合体による補体活性化など) をもたらす可能性があると提案された。[ 14 ]ただしこの時点では、C4A または C4B のゲノムおよび派生アミノ酸配列はまだ決定されていなかった。

構造

初期の研究により、C4複合体に関する知識は飛躍的に広がり、遺伝子とタンパク質の構造を解明する道を開く基礎が築かれました。C. Yuは、ヒト補体成分C4A遺伝子の全配列を決定することに成功しました。[ 6 ]その結果、ゲノム全体は41のエクソンから成り、合計1744の残基(大きなイントロン9の配列を避けているにもかかわらず)を持つことがわかりました。[ 6 ] C4タンパク質は1本の鎖の前駆体に合成され、その後、タンパク質分解によって3つの鎖(連鎖順にβ-α-γ)に切断されます。[ 6 ]

β鎖は656残基から成り、エクソン1~16でコードされている。[ 6 ] β鎖の最も顕著な特徴は、6~7キロベースに及ぶ大きなイントロンの存在である。[ 6 ]これは、すべてのC4遺伝子の最初の遺伝子座(C4Aをコード)に存在し、2番目の遺伝子座(C4Bをコード)には、いくつかのC4遺伝子にのみ存在する。[ 6 ] α鎖は残基661~1428から成り、エクソン16~33をコードしている。[ 6 ]この鎖内で、エクソン23と30でマークされた2つの切断部位からC4dフラグメント(チオエステル、Ch/Rg抗原、およびアイソタイプ残基が存在する場所)が生成され、さらに、多型部位のほとんどがこの領域に集まっている。[ 6 ] γ鎖は291残基から構成され、エクソン33-41をコードしている。[ 6 ]残念ながら、γ鎖に特定の機能は特定されていない。[ 6 ]

Vaishnaw らによる研究では、C4 遺伝子の遺伝子発現の取り組みに関連する重要な領域と要因を特定しようとしました。[ 15 ]彼らの研究は、Sp1 結合部位 (-59 から -49 に位置) が C4 の基礎転写を正確に開始する上で重要な役割を果たすという事実で結論付けられました。[ 15 ]電気移動度シフトアッセイと DNase I フットプリント分析を利用すると、核因子 1、2 つの E ボックス (-98 から -93 と -78 から -73)、および Sp1 結合ドメインでの C4 プロモーターの特定の DNA タンパク質相関が実証されました。[ 15 ]これらの発見は後に別の大規模な研究に追加され、3 番目の E ボックス部位が見つかりました。[ 16 ]さらに、同じ研究結果から、遺伝子配列内の2つの物理的実体がヒトC4AとC4Bの発現レベルに影響を与える可能性があると推測されており、これにはC4転写に正または負の調節的影響を及ぼす内因性レトロウイルスの存在と、位置-1524以降の変化する遺伝環境(どの遺伝子モジュール成分が存在するかによって異なる)が含まれる。[ 16 ]

より詳細な背景として、後者の研究では、以前指摘されていたバイモジュラー構造(C4A-C4B)が、1つまたはそれ以上のRP-C4-CYP21-TNX(RCCX)モジュールを含む、1~4つの個別のセグメントからなるクアドリモジュラー構造に更新されている。[ 2 ] C4AまたはC4B遺伝子のサイズは、21 kb(長い、L)または14.6 kb(短い、S)である。また、長いC4遺伝子は、そのイントロン9にレトロウイルスHERV-K(C4)を独自に含み、 6.36 kbの転写を余分に行うため、「より長い」遺伝子列となる。[ 2 ] [ 16 ]このように、C4遺伝子は、遺伝子サイズ、コピー数、および多型において複雑な変動パターンを示す。[ 2 ] [ 16 ]これらのモノ、バイ、トリ、クアドリモジュラー構造の例には、L または S(1 つの長いまたは短い C4 遺伝子を持つモノモジュラー)、LL または LS または SS(ホモ接合性またはヘテロ接合性の L または S 遺伝子の組み合わせを持つバイモジュラー)、LLL または LLS または LSS(3 つの L または S C4 遺伝子を持つトリモジュラー RCCX)、LLLL(4 つの L または S C4 遺伝子を持つクアドリモジュラー構造)が含まれます。[ 16 ]すべての構造グループが同じ割合で出現するわけではなく、別々の民族グループ内でもさらに違いがある可能性があります。たとえば、研究対象となったコーカサス人集団では、69% がバイモジュラー構成(C4A-C4B、C4A-C4A、または C4B-C4B)、31% がトリモジュラー構成(LLL として C4A-C4A-C4B または LSS として C4A-C4B-C4B に均等に分割)を示しました。[ 16 ] C4タンパク質配列多型に関しては、合計24の多型残基が認められた。そのうち、β鎖は5個、α鎖は18個、γ鎖は1個発現した。これらの多型はさらに、1) 特定の位置における4つのアイソタイプ残基、2) 特定の位置におけるCh/Rg抗原決定基、3) C5結合部位、4) 特異的アレル残基に分類できる。[ 16 ]

さらに、同研究では、ヒト補体C4転写産物が複数の組織で発現していることが確認されました。C4dプローブとRDプローブを陽性対照として用いたノーザンブロット解析の結果、肝臓に全身の転写産物の大部分が含まれていることが示されました。[ 16 ]しかしながら、副腎皮質/髄質、甲状腺、腎臓でも中程度の発現が見られました。[ 16 ]

機能とメカニズム

補体カスケードの2つの経路。[ 17 ]補体カスケードの古典経路と代替経路の構成要素と酵素。補体カスケードは、ヒトやその他のシステムが外来病原​​体から防御するための補完的な手段を提供します(本文参照)。レクチン経路の要素は示されていません。[ 18 ]図中の末尾の文字は小文字ですが、本文中の大文字の文字と同義です。

前述のように、C4(C4AとC4Bの混合物)は、3つの補体経路(古典経路、代替経路、レクチン経路)すべてに関与しています。代替経路は「自発的に」誘発されるのに対し、古典経路とレクチン経路は特定の微生物の認識に応じて誘導されます。[ 18 ] 3つの経路はすべて、補体タンパク質C3がタンパク質C3aとC3bに切断される段階で収束します。その結果、溶解経路が形成され、膜攻撃複合体(MAC)と呼ばれる複数のタンパク質からなる高分子集合体が形成されます。MACは標的病原体の膜に孔を開け、侵入した細胞を破壊し、最終的には溶解を引き起こします。[ 18 ]

古典的経路では補体成分(以下、タンパク質番号の前に「C」を付けて略す)であるC1s(セリンプロテアーゼ)が経路の上流段階で活性化され、3つの鎖からなる約200キロダルトン(kDa)の天然の親タンパク質C4が切断される。[ 18 ]:288 C4はプロテアーゼによって2つの部分に切断され、ペプチドC4a(約9 kDaと小さく、アナフィラキシー毒性がある)と約190 kDaのより高分子量のタンパク質C4bとなる。[ 19 ] C4が切断されると、C4bはチオエステル官能基[-SC(O)-]を有するようになる。1980年代のC3、次いでC4に関する研究では、親C3およびC4構造内に、15原子(15員環)のチオノラクトン環というユニークなタンパク質修飾が存在することが示された。この環は、-Cys-Gly-Glu-Glx-配列のアミノ酸システイン(Cys)のチオール側鎖を、下流の3つのアミノ酸残基に存在するグルタミン側鎖(ここではGlx)として始まった側鎖アシル基と結合する働きをする(残りの15原子はバックボーン原子と側鎖原子である)。[ 19 ] [ 20 ]切断されると、このユニークなチオノラクトン環構造が新しいC4bタンパク質の表面に露出する。[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]微生物表面に近接しているため、放出されたC4bタンパク質の一部は、この反応性チオノラクトンと、外来微生物の細胞表面上の求核性アミノ酸側鎖およびその他の基と反応し、わずかに改変されたC4bタンパク質がC4の元のGlx残基を介して細胞表面に共有結合する。[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]

C4bにはさらなる機能がある。C4bはタンパク質C2と相互作用する。前述のC1sと同じプロテアーゼがC2をC2aとC2bという2つの部分に切断する。C2bは遊離し、C2aはC4bと会合したまま残る。2つのタンパク質からなるC4b-C2a複合体は、タンパク質C3に対してさらなるシステム関連プロテアーゼ活性を示し(これを切断する)、続いてC4bとC2aの両タンパク質が複合体から遊離する(その後、C4bは別のタンパク質C2に結合し、これらのステップを再び実行することができる)。[ 18 ] C4bが再生され、サイクルが形成されるため、プロテアーゼ活性を持つC4b-C2a複合体はC3コンバターゼと呼ばれている。[ 18 ]タンパク質4bはさらに4cと4dに切断される。[ 21 ]

臨床的意義

共通構造遺伝子のモデルと統合失調症の発症への寄与の可能性(Sekarらの論文で詳細に定義されている)

他の疾患(全身性エリテマトーデスなど)との関連が指摘されているが、C4遺伝子についても、統合失調症のリスクと発症における役割が調査されている。Wuらの研究では、リアルタイムポリメラーゼ連鎖反応(rt-PCR)をアッセイとして利用し、C4のコピー数変異(CNV)または遺伝的多様性を測定した。[ 22 ]したがって、これらの結果により、将来の予後、再燃、および寛解を判断することがより現実的になる。結果は基本的に、コピー数変異が遺伝的多様性に影響を与えるメカニズムであることを示している。前述のように、補体C4のさまざまな遺伝的多様性によって可能になるさまざまな表現型には、2つのアイソタイプ(C4AとC4B)間の広範囲の血漿または血清C4タンパク質と、独自の生理学的機能を持つ可能性のある複数のタンパク質アロタイプが含まれる。[ 22 ] CNVは固有の遺伝的多様性の源であり、遺伝子と環境の相互作用に関与している。[ 22 ] CNV(および関連する多型)は、量的形質の遺伝的基礎と自己免疫疾患および神経生物学的疾患に対する異なる感受性の理解に向けたギャップを埋める役割を果たしている。

世界中から膨大なデータが収集・分析され、統合失調症は確かに染色体6番腕のMHC遺伝子座の領域と強い遺伝的関係があることが判明した。[ 23 ] [ 1 ]

国際的に収集されたデータと情報は、統合失調症の謎を解明する可能性があります。 Sekar らは、合計で約 29,000 件の症例に上る 22 か国の 40 のコホートの一塩基多型(SNP) を解析しました。 [ 1 ]彼らは 2 つの特徴を発見しました。1) 多数の SNP が末端でわずか 2Mb に達していること、2) 関連のピークが C4 に集中していることから、C4A の発現レベルが統合失調症と最も強く相関していると予測できることです。[ 1 ]さらに、彼らは、統合失調症がヒトの補体 C4 の遺伝的素因から発生するメカニズムを発見しました。[ 1 ]図 1 に示すように、ゲノムワイド関連研究(GWAS)で発見された4 つの共通の構造変異は、統合失調症の発症率の高さを示唆しています。[ 1 ]おそらく、C4遺伝子の変異パターンによりC4タンパク質の発現レベルが高くなり、シナプス刈り込み( C4が関与する 補体系のエフェクタータンパク質によって生成される効果)が望ましくないほど増加してしまう可能性がある。

参照

参考文献

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さらに読む