HIV-1プロテアーゼ
HIV-1プロテアーゼ（レトロペプシン）
HIV-1プロテアーゼ二量体は白と灰色で、ペプチド基質は黒、活性部位のアスパラギン酸側鎖は赤で示されています。（PDB：1KJF）
識別子
EC番号3.4.23.16
CAS番号144114-21-6
データベース
インテンズIntEnzビュー
ブレンダブレンダエントリー
エクスパスNiceZymeビュー
ケッグKEGGエントリー
メタサイクル代謝経路
プリアモスプロフィール
PDB構造RCSB PDB PDBe PDBsum
遺伝子オントロジーアミゴー/クイックゴー
検索
PMC記事
パブメッド記事
NCBIタンパク質

HIV-1プロテアーゼまたはPRは、レトロウイルスのアスパルチルプロテアーゼ（レトロペプシン）であり、レトロウイルスのペプチド結合加水分解に関与する酵素で、エイズを引き起こすレトロウイルスであるHIVのライフサイクルに不可欠です。[ 1 ] [ 2 ] HIV-1 PRは、新しく合成されたポリタンパク質（GagおよびGag- Pol [ 3 ]）を9つの切断部位で切断し、宿主細胞の外で感染するウイルスの形態であるHIVビリオンの成熟タンパク質成分を生成します。 [ 4 ]効果的なHIV-1 PRがなければ、HIVビリオンは感染性がありません。[ 5 ] [ 6 ]

構造

HIV-1プロテアーゼは、イングリッシュブルドッグまたは太った猫に似ているかどうかで分類されています。[ 7 ] 青とシアングリーンのリボンは、それぞれ野生型（1KZK）と変異型（1D4S）構造のペプチド骨格を表しています。

成熟した HIV プロテアーゼは 22 kDa のホモ二量体として存在し、各サブユニットは 99 個のアミノ酸から構成されています。[ 1 ]同一のサブユニットの間には単一の活性部位があり、アスパラギン酸プロテアーゼに共通する特徴的なAsp - Thr - Gly (Asp25、Thr26、および Gly27)触媒三量体配列を持っています。[ 8 ] HIV-1 PR は二量体としてのみ機能するため、成熟したプロテアーゼには各モノマーから 1 つずつ、合計 2 つの Asp25 アミノ酸が含まれており、これらが触媒残基として連携して作用します。[ 9 ]さらに、HIV プロテアーゼには 2 つの分子「フラップ」があり、酵素が基質と結合すると、これが最大 7 Å移動します。 [ 10 ]これは、フラップが開閉するアニメーションで視覚化できます。

生合成

Gag-Pol領域には、N末端にp6 pol、C末端に逆転写酵素が挟まれたプロテアーゼ遺伝子が含まれています。「Hxb2genome」

前駆

Gag-Polポリタンパク質には、HIV-1 PRを含む未熟なコーディングタンパク質が含まれています。[ 9 ] PRは、トランスフレーム領域（TFR）の逆転写酵素（PRのC末端にある）とp6ポリメラーゼ（ PRのN末端にある）の間に位置しています。[ 11 ]

この前駆体が機能的なタンパク質になるためには、各モノマーが別のHIV-1 PRモノマーと結合して、それぞれの触媒三元構造のAsp25を寄与することで機能的な触媒活性部位を形成する必要がある。[ 9 ]

合成メカニズム

ウイルスのHIV-RNAが細胞内に侵入する際、逆転写酵素、インテグラーゼ、そして成熟したHIV-1 PRが伴う。逆転写酵素はウイルスRNAをDNAに変換し、インテグラーゼがウイルスの遺伝情報を宿主細胞のDNAに組み込む役割を促進する。 [ 2 ]ウイルスDNAは核内で休眠状態のままとなるか、mRNAに転写され、宿主細胞によってGag-Polポリタンパク質に翻訳される。その後、成熟したHIV-1 PRによって個々の機能タンパク質（新たに合成されたHIV-1 PRを含む）に切断される。[ 9 ]

HIV-1 PR前駆体は、オートプロセシングと呼ばれるメカニズムでGag-Polポリタンパク質からの切断を促進することで、自身の生成を触媒します。HIV-1 PRのオートプロセシングは、2つの連続したステップによって特徴付けられます。(1) p6 pol -プロテアーゼ切断部位におけるN末端の分子内切断。これによりPRプロセシングが完了し、新たに形成されたPR-逆転写酵素中間体による酵素活性が高まります。(2) プロテアーゼ-逆転写酵素切断部位におけるC末端の分子間切断。これにより、2つのPRサブユニットが成熟した二量体へと組み立てられます。[ 12 ] [ 13 ] 2つのサブユニットの二量体化により、2つのAsp25触媒残基（各モノマーから1つ）を特徴とする、完全に機能する複合活性部位が形成されます。[ 14 ]

活性部位Asp-25 を赤色で示す HIV-1 プロテアーゼ二量体 (緑とシアン) 。
ポリペプチド基質（マゼンタ）と複合した状態。（PDB：1KJF）
阻害剤BEA369との複合体（炭素（白）、窒素（青）、酸素（赤）の棒で表示）。（PDB：1EBY）

関数

HIV-1 PRには2つの役割があります。前駆HIV-1 PRは、PR自動プロセシングを介して成熟PR酵素への自身の産生を触媒する役割を担っています。[ 15 ]成熟プロテアーゼは、Gag-Polポリタンパク質上のペプチド結合を9つの特定の部位で加水分解し、得られたサブユニットを成熟した完全に機能するタンパク質へと処理します。これらの切断されたタンパク質（逆転写酵素、インテグラーゼ、RNaseHなど）は、ウイルス複製に必要なコード領域構成要素によってコードされています。[ 4 ]

機構

アスパラギン酸プロテアーゼとして、二量体化したHIV-1 PRはアスパルチル基複合体を介して加水分解を行う。HIV-1 PRの複合触媒活性部位にある2つのAsp25残基のうち、微小環境とのpKa差により、一方は脱プロトン化され、もう一方はプロトン化される。[ 16 ]

一般的なアスパラギン酸プロテアーゼの機構では、基質が酵素の活性部位に適切に結合すると、脱プロトン化されたAsp25触媒アミノ酸が塩基触媒作用を受け、入ってきた水分子を脱プロトン化することでより求核性の高いものにします。結果として生じた水酸イオンはペプチド結合のカルボニル炭素を攻撃し、一時的なオキシアニオンを含む中間体を形成します。これは、最初にプロトン化されたAsp25によって安定化されます。オキシアニオンは二重結合を再形成し、2つのアミノ酸間のペプチド結合を切断します。一方、最初に脱プロトン化されたAsp25は酸触媒作用を受け、そのプロトンをアミノ基に供与します。これにより、アミノ基はペプチド結合を完全に切断するためのより良好な脱離基となり、元の脱プロトン状態に戻ります。[ 2 ] [ 17 ]

HIV-1 PRは非ウイルス性アスパラギン酸プロテアーゼと多くの共通点を持つが、いくつかの証拠はHIV-1 PRが協調的に加水分解を触媒することを示している。言い換えれば、求核性水分子とプロトン化されたAsp25が触媒中に切断可能なペプチド結合を同時に攻撃する。 [ 17 ] [ 18 ]

一般的なアスパルチルプロテアーゼの触媒機構。脱プロトン化およびプロトン化形態の2つの特徴的なAsp25残基を含みます。「アスパルチルプロテアーゼ機構.png」

薬剤ターゲットとして

HIV-1プロテアーゼは、アスパルチルプロテアーゼの典型的なAspThrGlyを有しています。これらのアミノ酸は25、26、および27番目の位置にあり、触媒活性を担っています。

HIVプロテアーゼはHIV複製に不可欠な役割を果たすため、薬物療法の主要な標的となっています。HIVプロテアーゼ阻害剤は、基質の四面体中間体を模倣することで活性部位に特異的に結合し、実質的に「固着」することで酵素を無効化します。ウイルス粒子は集合と出芽後、活性プロテアーゼを欠失し、感染性ウイルス粒子へと成熟することができません。いくつかのプロテアーゼ阻害剤がHIV治療薬として承認されています。[ 19 ]

現在、米国食品医薬品局（FDA）によって承認されているHIV-1 PR阻害剤は10種類あります。インディナビル、サキナビル、リトナビル、ネルフィナビル、ロピナビル、アンプレナビル、ホサムプレネビル、アタザナビル、チプラナビル、ダルナビルです。これらの阻害剤の多くは分子構造が異なり、活性部位の阻害など、作用機序も異なります。これらの阻害剤の機能的役割は、他の阻害薬（リトナビル）の血中濃度に影響を与えることや、ウイルスが他の阻害剤に耐性を示す特定の状況にのみ使用されること（チプラナビル）にも及びます。[ 4 ] [ 20 ]

進化と抵抗

レトロウイルスの変異率、特に変異感受性領域（特に触媒トライアド配列を含む領域）の変異率が高いこと、またHIVプロテアーゼ内のいくつかのアミノ酸の変化が阻害剤に対する可視性を大幅に低下させることを考慮すると、この酵素の活性部位は複製阻害薬の選択圧を受けると急速に変化する可能性がある。[ 21 ] [ 22 ]既知の耐性変異のほとんどがHIV-1 PRの安定性に影響を与える可能性があるにもかかわらず、[ 23 ] [ 24 ]このタンパク質は依然として触媒活性を発揮することができ、代償的変異によって促進されることもある。[ 25 ]

薬剤耐性の増加には、一般的に2種類の変異、「主要」変異と「二次」変異が関連しています。主要変異は、HIV-1 PRの活性部位における変異であり、選択的阻害剤の結合を阻害します。二次変異は、類似化学物質への長期曝露によって酵素の周辺部に生じる分子変化を指し、HIV-1 PRに対する阻害剤の特異性に影響を与える可能性があります。[ 3 ]

HIVにおける薬剤耐性の発現を最小限に抑える一つのアプローチは、一度に一つの薬剤を投与するのではなく、HIV複製サイクルのいくつかの重要な側面を同時に阻害する薬剤を組み合わせて投与することです。その他の薬物療法の標的には、逆転写酵素、ウイルス付着、膜融合、cDNAの組み込み、ウイルス粒子の組み立てなどがあります。[ 26 ] [ 27 ]

参照

参考文献

  1. ^ a b Davies DR (1990). 「アスパラギン酸プロテアーゼの構造と機能」 . Annual Review of Biophysics and Biophysical Chemistry . 19 (1): 189– 215. doi : 10.1146/annurev.bb.19.060190.001201 . PMID  2194475 .
  2. ^ a b c Brik A, Wong CH (2003年1月). 「HIV-1プロテアーゼ：メカニズムと創薬」.有機・生体分子化学. 1 (1): 5– 14. doi : 10.1039/b208248a . PMID 12929379 . 
  3. ^ a b Huang X, Britto MD, Kear-Scott JL, Boone CD, Rocca JR, Simmerling C, Mckenna R, Bieri M, Gooley PR, Dunn BM, Fanucci GE (2014年6月). 「HIV-1プロテアーゼのコンフォメーションサンプリングとダイナミクスにおける特定のサブタイプ多型の役割」 . The Journal of Biological Chemistry . 289 (24): 17203–14 . doi : 10.1074 / jbc.M114.571836 . PMC 4059161. PMID 24742668 .  
  4. ^ a b c Lv Z, Chu Y, Wang Y (2015年4月). 「HIVプロテアーゼ阻害剤：分子選択性と毒性のレビュー」 . HIV/AIDS: Research and Palliative Care . 7 : 95–104 . doi : 10.2147/hiv.s79956 . PMC 4396582. PMID 25897264 .  
  5. ^ Kräusslich HG, Ingraham RH, Skoog MT, Wimmer E, Pallai PV, Carter CA (1989年2月). 「ヒト免疫不全ウイルスの精製生合成プロテアーゼの天然基質および合成ペプチドに対する活性」 .米国科学アカデミー紀要. 86 (3): 807–11 . Bibcode : 1989PNAS...86..807K . doi : 10.1073 / pnas.86.3.807 . PMC 286566. PMID 2644644 .  
  6. ^ Kohl NE, Emini EA, Schleif WA, Davis LJ, Heimbach JC, Dixon RA, Scolnick EM, Sigal IS (1988年7月). 「活性型ヒト免疫不全ウイルスプロテアーゼはウイルス感染に必須である」 . Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America . 85 (13): 4686–90 . Bibcode : 1988PNAS...85.4686K . doi : 10.1073 / pnas.85.13.4686 . PMC 280500. PMID 3290901 .  
  7. ^ Perryman AL, Lin JH, McCammon JA (2004年4月). 「野生型およびV82F/I84V変異体のHIV-1プロテアーゼ分子ダイナミクス：薬剤耐性への寄与の可能性と薬剤の新たな標的部位の可能性」(PDF) . Protein Science . 13 (4): 1108–23 . doi : 10.1110/ps.03468904 . PMC 2280056. PMID 15044738. 2008年12月16日時点のオリジナル(PDF)からのアーカイブ。  
  8. ^ Chatterjee A, Mridula P, Mishra RK, Mittal R, Hosur RV (2005年3月). 「フォールディングはHIV-1プロテアーゼ前駆体のオートプロセシングを制御する」 . The Journal of Biological Chemistry . 280 (12): 11369–78 . doi : 10.1074/jbc.M412603200 . PMID 15632156 . 
  9. ^ a b c d Pettit SC, Everitt LE, Choudhury S, Dunn BM, Kaplan AH (2004年8月). 「ヒト免疫不全ウイルス1型GagPol前駆体の活性化プロテアーゼによる初期切断は分子内メカニズムによって起こる」 . Journal of Virology . 78 (16): 8477–85 . doi : 10.1128/JVI.78.16.8477-8485.2004 . PMC 479095. PMID 15280456 .  
  10. ^ Miller M, Schneider J, Sathyanarayana BK, Toth MV, Marshall GR, Clawson L, Selk L, Kent SB, Wlodawer A (1989年12月). 「合成HIV-1プロテアーゼと基質阻害剤の複合体の構造（2.3Å分解能）」. Science . 246 (4934): 1149–52 . doi : 10.1126/science.2686029 . PMID 2686029 . 
  11. ^ Louis JM, Clore GM, Gronenborn AM (1999年9月). 「HIV-1プロテアーゼの自動プロセシングはタンパク質フォールディングと密接に関連している」. Nature Structural Biology . 6 (9): 868–75 . doi : 10.1038/12327 . PMID 10467100. S2CID 6375519 .  
  12. ^ Louis JM, Nashed NT, Parris KD, Kimmel AR, Jerina DM (1994年8月). 「Gag-Polポリタンパク質類似体由来のヒト免疫不全ウイルス1型プロテアーゼの自動プロセシングの速度論とメカニズム」 . Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America . 91 (17): 7970–4 . Bibcode : 1994PNAS...91.7970L . doi : 10.1073 /pnas.91.17.7970 . PMC 44526. PMID 8058744 .  
  13. ^ Wondrak EM, Nashed NT, Haber MT, Jerina DM, Louis JM (1996年2月). 「HIV-1プロテアーゼの一過性前駆体。単離、特性評価、および成熟速度論」 . The Journal of Biological Chemistry . 271 (8): 4477–81 . doi : 10.1074/jbc.271.8.4477 . PMID 8626801 . 
  14. ^ Zhang S, Kaplan AH, Tropsha A (2008年11月). 「タンパク質パッキング法の単純近傍解析によるHIV-1プロテアーゼの機能と構造に関する研究」 . Proteins . 73 ( 3): 742–53 . doi : 10.1002/prot.22094 . PMC 2765824. PMID 18498108 .  
  15. ^ Huang L, Chen C (2013年7月). 「HIV-1プロテアーゼのオートプロセシング機構の理解と新規治療法開発」 . Future Medicinal Chemistry . 5 (11): 1215–29 . doi : 10.4155/fmc.13.89 . PMC 3826259. PMID 23859204 .  
  16. ^ Smith R, Brereton IM, Chai RY, Kent SB (1996年11月). 「HIV-1プロテアーゼの触媒残基のイオン化状態」. Nature Structural Biology . 3 (11): 946–50 . doi : 10.1038/nsb1196-946 . PMID 8901873. S2CID 1076528 .  
  17. ^ a b Liu H, Müller-Plathe F, van Gunsteren WF (1996年8月). 「HIVプロテアーゼの触媒機構に関する量子/古典分子動力学法の複合研究」. Journal of Molecular Biology . 261 (3): 454–69 . doi : 10.1006/jmbi.1996.0476 . PMID 8780786 . 
  18. ^ Jaskólski M, Tomasselli AG, Sawyer TK, Staples DG, Heinrikson RL, Schneider J, Kent SB, Wlodawer A (1991年2月). 「ヒドロキシエチレン系阻害剤と複合した化学合成ヒト免疫不全ウイルス1型プロテアーゼの2.5Å分解能構造」.生化学. 30 (6): 1600–9 . doi : 10.1021/bi00220a023 . PMID 1993177 . 
  19. ^ Rang HP (2007). Rang and Dale's pharmacology (6th ed.). フィラデルフィア, ペンシルバニア州, 米国: Churchill Livingstone/Elsevier. ISBN 9780808923541。
  20. ^ Griffin L, Annaert P, Brouwer KL (2011年9月). 「HIVプロテアーゼ阻害剤の薬物動態および薬物相互作用に対する薬物輸送タンパク質の影響」 . Journal of Pharmaceutical Sciences . 100 (9): 3636–54 . Bibcode : 2011JPhmS.100.3636G . doi : 10.1002 /jps.22655 . PMC 3750718. PMID 21698598 .  
  21. ^ Watkins T, Resch W, Irlbeck D, Swanstrom R (2003年2月). 「ヒト免疫不全ウイルス1型プロテアーゼ阻害剤に対する高レベル耐性の選択」 .抗菌剤と化学療法. 47 (2): 759–69 . doi : 10.1128 / AAC.47.2.759-769.2003 . PMC 151730. PMID 12543689 .  
  22. ^ Loeb DD, Swanstrom R, Everitt L, Manchester M, Stamper SE, Hutchison CA (1989年8月). 「HIV-1プロテアーゼの完全変異誘発」. Nature . 340 ( 6232): 397– 400. Bibcode : 1989Natur.340..397L . doi : 10.1038/340397a0 . PMID 2666861. S2CID 4351388 .  
  23. ^ Singh, Manoj Kumar; Streu, Kristina; McCrone, Andrew J.; Dominy, Brian N. (2011-05-13). 「HIV-1プロテアーゼにおける触媒機能の進化」 . Journal of Molecular Biology . 408 (4): 792– 805. doi : 10.1016/j.jmb.2011.02.031 . ISSN 0022-2836 . PMID 21376058 .  
  24. ^デビッド、フェレイロ;ハリル、ルカイヤ。ガレゴ、マリア J;オソリオ、ヌーノ S;アレナス、ミゲル（2022-07-01）。「HIV-1 プロテアーゼの折り畳み安定性の進化」。ウイルスの進化。8 (2) veac115。土井：10.1093/ve/veac115。ISSN 2057-1577。PMC 9802575。PMID 36601299。   
  25. ^ Nijhuis, Monique; Schuurman, Rob; de Jong, Dorien; Erickson, John; Gustchina, Elena; Albert, Jan; Schipper, Pauline; Gulnik, Sergei; Boucher, Charles AB (1999年12月). 「最適以下の治療における代償性変異の獲得による薬剤耐性HIV-1プロテアーゼの適応度向上」 . AIDS . 13 (17): 2349– 2359. doi : 10.1097/00002030-199912030-00006 . ISSN 0269-9370 . PMID 10597776 .  
  26. ^ Moore JP, Stevenson M (2000年10月). 「HIV-1複製阻害剤の新たな標的」. Nature Reviews. Molecular Cell Biology . 1 (1): 40–9 . doi : 10.1038/35036060 . PMID 11413488. S2CID 10811618 .  
  27. ^ De Clercq E (2007年12月). 「HIVおよびHCVに対する薬剤の設計」. Nature Reviews. Drug Discovery . 6 (12): 1001–18 . doi : 10.1038/nrd2424 . PMID 18049474. S2CID 37859193 .  
「 https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=HIV-1_protease&oldid=1335451295」より取得