スーパーオキシドディスムターゼ[Cu-Zn]は、 スーパーオキシドディスムターゼ1 またはhSod1 としても知られ、ヒトでは21番染色体 に位置するSOD1 遺伝子 によってコードされる酵素 です。SOD1は、3つのヒトスーパーオキシドディスムターゼ の1つです。[ 5 ] [ 6 ] アポトーシス 、家族性筋萎縮性側索硬化 症、パーキンソン病 に関与していることが示唆されています。[ 6 ] [ 7 ]
構造 SOD1 は 32 kDa のホモ二量体で、β バレル を形成し、各サブユニットに分子内ジスルフィド結合と二核 Cu/Zn 部位を持っています。この Cu/Zn 部位は銅と亜鉛イオンを保持し、スーパーオキシド から過酸化水素 と二酸素 への不均化を 触媒する役割を担っています。[ 8 ] [ 9 ] このタンパク質の成熟プロセスは複雑で、完全には解明されていません。銅と亜鉛イオンの選択的結合、Cys-57 と Cys-146 の間のサブユニット内ジスルフィド結合 の形成、および 2 つのサブユニットの二量体化が関与しています。Sod1 の銅シャペロン (CCS) は銅の挿入とジスルフィド酸化を促進します。SOD1 は細胞質で合成され、そこで成熟しますが、ミトコンドリアを標的とした発現されたがまだ未熟な SOD1 の一部は膜間腔に挿入される必要があります。そこで、SOD1は成熟に必要なジスルフィド結合を形成するが、金属化は起こらない。[ 9 ] 成熟タンパク質は非常に安定しているが[ 10 ] 、金属イオンを含まない状態やジスルフィド還元された状態では不安定である。[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] このことは、試験管内実験において、金属イオンの喪失がSOD1の凝集の増加につながり、疾患モデルでは不溶性SOD1において低い金属化が観察されることで明らかになる。さらに、表面に露出した還元システインがジスルフィド架橋 に関与し、凝集を促進する可能性がある。[ 8 ]
関数 SOD1は銅イオンと亜鉛イオンに結合し、体内のフリースーパーオキシド ラジカルを破壊する3つのスーパーオキシドディスムターゼの1つです。コードされているアイソザイムは、 細胞質 およびミトコンドリア 膜間腔に存在する可溶性タンパク質で、ホモ二量体として作用し、天然に存在する有害なスーパーオキシドラジカルを分子状酸素と過酸化水素 に変換します。[ 9 ] [ 11 ] 過酸化水素は、カタラーゼと呼ばれる別の酵素によって分解されます。
SOD1は、スーパーオキシドアニオンが生成されるミトコンドリア外膜(OMM)または 膜間腔 に局在する と仮定されている。その局在の正確なメカニズムは不明であるが、OMMへの凝集はBCL-2との関連に起因すると考えられている。野生型SOD1は神経培養において抗アポトーシス特性を示したが、変異型SOD1は脊髄ミトコンドリアでアポトーシスを促進することが観察されているが、肝臓ミトコンドリアでは促進しないことが観察されている。ただし、SOD1は肝臓ミトコンドリアと脊髄ミトコンドリアの両方で同等に発現している。2つのモデルは、SOD1が BCL-2 タンパク質またはミトコンドリア自体と相互作用することでアポトーシスを阻害することを示唆している。 [ 6 ]
臨床的意義
酸化ストレスにおける役割 最も注目すべきは、SOD1が、虚血再灌流障害による酸化ストレス時の 活性酸素種 (ROS)放出において極めて重要であることです。特に、心臓発作 (虚血性心疾患 としても知られています)の一環としての心筋 における活性酸素種(ROS)放出において重要な役割を果たしています。主要な冠動脈の1つが 閉塞する ことで起こる虚血性心疾患は、現在でも西洋社会において罹患率 と死亡率の主な原因となっています。 [ 12 ] [ 13 ] 虚血再灌流の間、ROS放出は細胞への直接的な影響とアポトーシスシグナルを介して細胞の損傷と死に大きく寄与します。SOD1はROSの有害な影響を制限する能力があることが知られています。そのため、SOD1は心臓保護効果にとって重要です。[ 14 ] さらに、SOD1は、心臓の虚血プレコンディショニング 中などの虚血再灌流障害に対する心臓保護に関係していることが示されています。 [ 15 ] 大量のROS放出は細胞損傷につながることが知られていますが、致死的ではない短時間の虚血発作中にミトコンドリアから放出される中程度のROSは、虚血性プレコンディショニングのシグナル伝達経路において重要な誘導作用を発揮し、細胞損傷を軽減する可能性があります。このROS放出の間、SOD1がアポトーシスシグナル伝達と細胞死を制御する上で重要な役割を果たしていることが観察されています。
ある研究では、この遺伝子の欠失が円錐角膜 の家族性症例2件で報告されている。[ 16 ] SOD1を欠損したマウスでは、加齢に伴う筋肉量減少(サルコペニア)、 白内障 、黄斑変性 、胸腺退縮 、肝細胞癌 の早期発症、寿命の短縮がみられる。[ 17 ] 研究によると、長期にわたり歯科用アマルガム充填材を使用している女性では、SOD1レベルの上昇が慢性 重金属毒性 のバイオマーカーとなる可能性があることが示唆されている。[ 18 ]
筋萎縮性側索硬化症(ルー・ゲーリック病)この遺伝子の変異(現在までに150以上が特定されている)は、家族性筋萎縮性側索硬化症(ALS) に関連している。[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] しかし、細胞ストレス条件下での野生型SOD1は、ALS患者の90%を占める散発性ALS症例のかなりの部分で関与していることを示す証拠もいくつかある。[ 22 ] 最も頻繁な変異はA4V (米国)とH46R (日本)である。アイスランドではSOD1-G93S のみが見つかっている。最も研究されているALSマウスモデルはG93A である。この遺伝子については、まれな転写変異が報告されている。[ 11 ]
ALSを引き起こす既知のSOD1変異は、ほぼ全て優性遺伝 形式で作用します。SOD1遺伝子の変異コピーが1つあるだけで、ALSを引き起こすのに十分です。SOD1変異がALSを引き起こす正確な分子メカニズム(あるいは複数のメカニズム)は不明です。疾患関連SOD1変異体(G93AおよびA4Vを含む)の多くは酵素活性を保持しており、Sod1ノックアウトマウスはALSを発症しないことから、ある種の毒性機能獲得であると考え られます[21] (ただし、加齢依存性の強い遠位運動神経障害は示します)。
ALSは、 運動ニューロン の選択的喪失を特徴とする神経変性疾患 であり、筋萎縮を 引き起こします。DNA酸化 産物8-OHdGは、 酸化的DNA損傷 の確立されたマーカーです。8-OHdGは、ALS患者の脊髄運動ニューロンの ミトコンドリアに蓄積します。 [ 23 ] 変異SOD1遺伝子を有するトランスジェニック ALSマウス では、8-OHdGは脊髄運動ニューロンのミトコンドリアDNA にも蓄積します。[ 24 ] これらの知見は、変化したSOD1による運動ニューロンのミトコンドリアDNAの酸化損傷が、ALSの病因における重要な要因である可能性を示唆しています。
A4V変異 A4V (コドン4のアラニンが バリン に変化する)は、米国人において最も一般的なALS原因変異であり、SOD1-ALS患者の約50%がA4V変異を有しています。[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] 米国の家族性ALS症例の約10%は、SOD1遺伝子のヘテロ接合性A4V変異によって引き起こされます。この変異は、南北アメリカ大陸以外ではほとんど、あるいは全く見られません。
最近、A4V変異は540世代(約12,000年前)に発生したと推定されました。この変異を取り巻くハプロタイプは、A4V変異がベーリング海峡 を通ってアメリカ大陸に到達したネイティブアメリカンのアジア系祖先に発生したことを示唆しています。[ 28 ]
A4V変異体は、野生型類似変異体に属します。A4V変異体を持つ患者の発症年齢は様々ですが、病状は一様に非常に急速に進行し、発症後の平均生存期間は1.4年です(他の優性SOD1変異体では3~5年、H46R変異体など一部の症例ではさらに長くなります)。この生存期間は、変異のないSOD1関連ALSよりもかなり短くなります。
H46R変異 H46R (コドン46のヒスチジンが アルギニン に変化する)は、日本人に最も多くみられるALS原因遺伝子変異であり、日本人SOD1-ALS患者の約40%がこの変異を有する。H46RはSOD1 の活性部位における銅結合を著しく低下させるため、H46Rは酵素的に不活性である。この変異の病態経過は非常に長く、発症から死亡までの典型的な期間は15年以上である[ 29 ] 。この変異を持つマウスモデルは、G93AおよびG37R ALSマウスに見られる典型的なミトコンドリア空胞化病理を示さず、G93Aマウスとは異なり、主要なミトコンドリア抗酸化酵素であるSOD2 の欠損は病態経過に影響を与えない[ 29 ] 。
G93A変異 G93A (グリシン93がアラニンに変化)は比較的まれな変異ですが、マウスでモデル化された最初の変異であったため、非常に熱心に研究されてきました。G93Aは酵素活性を損なわない疑似WT変異です。[ 27 ] ジャクソン研究所 のG93Aマウスは容易に入手できるため、このモデルでは潜在的な薬物ターゲットや毒性メカニズムの研究が数多く行われてきました。少なくとも1つの民間研究機関(ALS治療開発研究所 )がこのマウスモデルのみで大規模な薬物スクリーニングを行っています。発見がG93Aに特有のものか、すべてのALSを引き起こすSOD1変異に当てはまるかは現在のところ不明です。G93Aマウスの特定の病理学的特徴は過剰発現アーティファクト、特にミトコンドリア空胞化に関連するものによるものだと主張されてきました(ジャクソン研究所で一般的に使用されるG93Aマウスは、ヒトSOD1遺伝子のコピーを20以上持っています)。[ 30 ] 少なくとも1つの研究では、病理の特定の特徴はG93Aに特異であり、すべてのALSを引き起こす変異に外挿できるわけではないことがわかっています。[ 29 ] さらなる研究により、G93AモデルとH46Rモデルの病態は明確に異なることが示されています。あるモデルでは非常に有益/有害である薬剤や遺伝子介入が、他のモデルでは逆の効果をもたらすか、まったく効果がない場合があります。[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]
ダウン症候群 ダウン症候群(DS)は通常、 21番染色体の3倍化 によって引き起こされます。 酸化ストレス は、DS関連病態の重要な根本的要因と考えられています。この酸化ストレスは、21番染色体に位置するSOD1遺伝子の3倍化と発現増加に起因すると考えられています。SOD1遺伝子の発現増加は、過酸化水素 の産生増加を引き起こし、細胞傷害の増加につながると考えられます。
ダウン症候群(DS)患者の唾液中の8-OHdG濃度を測定した結果 、 対照群と比較して有意に高いことがわかった。[ 34 ] ダウン症候群(DS)患者の白血球 中の8-OHdG濃度も対照群と比較して 上昇していた。 [ 35 ] これらの結果は、酸化DNA損傷がDSのいくつかの臨床的特徴につながる可能性があることを示唆している。
相互作用 SOD1はCCS [ 36 ] およびBcl-2 [ 37 ] [ 38 ] [ 39 ] [ 40 ] と相互作用する ことが示されている。
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