アポトーシス性カスパーゼの機能と活性化、グランザイムBの役割

🧠 アポトーシスと他の細胞死様式を分ける唯一の基準は「炎症を起こすか否か」であり、それは「細胞膜が破れて中身をまき散らすか（炎症あり）、それとも縮んで静かに小胞へ分解されるか（炎症なし）」という物理的な違いに帰着する。 カスパーゼはこの「静かな解体」を実行するプロテアーゼであり、イニシエーターinitiator イニシエーター（initiator）initiator（イニシエーター） カスパーゼ（自己活性化できる、DED/CARDドメインを持つ）がエフェクターカスパーゼ（自己活性化できない、増幅役）を起こすという2段階構造によって、いったん始まると後戻りできない自己増幅的なカスケードを形成する。IAPというブレーキが常時カスパーゼを押さえ込んでおり、アポトーシスが起こるにはこのブレーキ自体がミトコンドリア由来因子によって外されなければならない。

アポトーシス

アポトーシスはプログラム細胞死の1形態であり、器官の彫刻（指の分化）、不要な構造の除去、損傷/有害な細胞（DNADNA（deoxyribonucleic acid）損傷、ウイルス感染）の破壊において重要である。

アポトーシスと他の細胞死形態（ネクロプトーシスnecroptosisネクロプトーシス（necroptosis）necroptosis（ネクロプトーシス）、ピロプトーシスpyroptosis ピロプトーシス（pyroptosis）pyroptosis（ピロプトーシス） など）との主な違いは炎症の誘導である：

• アポトーシス： 細胞は溶解を伴わずに縮小する（形質膜plasma membrane 形質膜（plasma membrane）plasma membrane（形質膜） は破れない）。内容物を放出しない→炎症は誘導されない
• 他の細胞死形態： 細胞は膨張し溶解する→細胞内容物を放出する→炎症を誘導する

⚠️ （補足）ネクローシス： プログラムされていない細胞死の様式。細胞が損傷を受けすぎてプログラム細胞死を実行できない場合に起こる。細胞膨張が破裂を引き起こし炎症を誘導する。この炎症により多くの細胞が死ぬため、ネクローシス＝多数の細胞の死である。対してアポトーシス＝一度に1細胞ずつの死である。

アポトーシスの主要な原因

• 生存シグナルsurvival signal 生存シグナル（survival signal）survival signal（生存シグナル） の欠如
• ストレス（酸化ストレスoxidative stress酸化ストレス（oxidative stress）oxidative stress（酸化ストレス）、ERストレス）
• オンコジーンoncogene オンコジーン（oncogene）oncogene（オンコジーン） の侵襲
• DNA損傷（放射線/化学物質chemical substance化学物質（chemical substance）chemical substance（化学物質））
• ウイルス感染

アポトーシスの出来事

1. 細胞が縮小し丸くなる
2. クロマチンが核とともに凝縮・断片化fragmentation 断片化（fragmentation）fragmentation（断片化） する
3. 細胞膜が突起を形成し膨隆する（突起＝アポトポディア、apoptopodia）
4. 突起が断片化 fragmentation 断片化（fragmentation） fragmentation（断片化） （分離）しアポトーシス小体 apoptotic bodies アポトーシス小体（apoptotic bodies） apoptotic bodies（アポトーシス小体） を形成する
5. アポトーシス小体apoptotic bodies アポトーシス小体（apoptotic bodies）apoptotic bodies（アポトーシス小体） は他の細胞に貪食される

💡 膨隆（ブレブblebブレブ（bleb）bleb（ブレブ））と突起（アポトポディア）は別の段階である。 まず細胞骨格の切断でアメーバ状の膨隆が生じ、そのあとに細長い突起が伸びる。単球のアポトーシスを実時間観察すると、この突起は数珠状beaded (moniliform, string-of-beads pattern)数珠状（beaded (moniliform, string-of-beads pattern)）beaded (moniliform, string-of-beads pattern)（数珠状）の形をとり、その「玉」が次々にちぎれてアポトーシス小体 apoptotic bodies アポトーシス小体（apoptotic bodies） apoptotic bodies（アポトーシス小体） になる。突起形成はアクトミオシン収縮の程度に制御されており、この経路でできたアポトーシス小体 apoptotic bodies アポトーシス小体（apoptotic bodies） apoptotic bodies（アポトーシス小体） からは核内容物が選別・排除される¹。「縮む→膨隆→糸に玉→ちぎれる→食われる」と順に覚えるとよい。

アポトーシスの後、貪食（ファゴサイトーシス）が起こる：

• 「食べて」シグナルを介した貪食細胞 phagocytes 貪食細胞（phagocytes） phagocytes（貪食細胞） の誘引
• 「食べて」シグナルとは露出したホスファチジルセリン phosphatidylserine ホスファチジルセリン（phosphatidylserine） phosphatidylserine（ホスファチジルセリン） など、形質膜plasma membrane 形質膜（plasma membrane）plasma membrane（形質膜） の外側二重層 bilayer 二重層（bilayer） bilayer（二重層） へ転位し貪食細胞 phagocytes 貪食細胞（phagocytes） phagocytes（貪食細胞） に認識されるリン脂質である

カスパーゼ

カスパーゼは（アスパラギン酸aspartate アスパラギン酸（aspartate）aspartate（アスパラギン酸） 特異的システイン）プロテアーゼ酵素 protease プロテアーゼ酵素（protease） protease（プロテアーゼ酵素） のファミリーであり、アポトーシスを誘導する。細胞内に位置するタンパク質の特異的配列を切断し、細胞死に至る変化を引き起こす。これらのプロテアーゼは活性部位 active site 活性部位（active site） active site（活性部位） にシステインを持ち、標的タンパク質を特異的なアスパラギン酸aspartateアスパラギン酸（aspartate）aspartate（アスパラギン酸）残基で切断する——そのため「カスパーゼ」と呼ばれる（cはシステイン、aspはアスパラギン酸 aspartate アスパラギン酸（aspartate） aspartate（アスパラギン酸） に由来）。

カスパーゼの活性化

カスパーゼは細胞内で不活性な前駆体（プロカスパーゼ）として合成され、アポトーシスの間にのみ活性化される。アポトーシス性カスパーゼには2つのクラスがある：イニシエーターinitiator イニシエーター（initiator）initiator（イニシエーター） カスパーゼとエフェクターカスパーゼである。

イニシエーターinitiator イニシエーター（initiator）initiator（イニシエーター） カスパーゼ（2、8、9、10）：

• アポトーシス過程を開始するカスパーゼ
• 通常は細胞質中でプロカスパーゼとして存在する
• アポトーシスシグナルが複数のイニシエーター initiator イニシエーター（initiator） initiator（イニシエーター） カスパーゼの会合を引き起こし、カスパーゼの対が結合し二量体を形成することでプロテアーゼが活性化される
• 各カスパーゼ二量体はその後、プロテアーゼドメイン中の特異的部位でパートナーを切断し、活性型複合体を安定化させる——これは適切な酵素活性に必要である（＝自己活性化）
• イニシエーターinitiator イニシエーター（initiator）initiator（イニシエーター） カスパーゼの主要な機能はエフェクターカスパーゼを活性化することである

エフェクターカスパーゼ（3、6、7）：

• 通常は不活性な二量体として存在する
• イニシエーターinitiator イニシエーター（initiator）initiator（イニシエーター） カスパーゼによりプロテアーゼドメイン中の部位で切断されると、活性型のコンフォメーション conformation コンフォメーション（conformation） conformation（コンフォメーション） へ変化する
• 活性化されると、エフェクターカスパーゼは細胞を殺すタンパク質切断の出来事を触媒する
• 1つのイニシエーター initiator イニシエーター（initiator） initiator（イニシエーター） カスパーゼ複合体が多数のエフェクターカスパーゼを活性化でき、タンパク質分解proteolysis タンパク質分解（proteolysis）proteolysis（タンパク質分解） カスケードの増幅がもたらされる
• エフェクターカスパーゼはカスパーゼではない分子——グランザイムgranzyme グランザイム（granzyme）granzyme（グランザイム） Bやカルパイン calpain カルパイン（calpain） calpain（カルパイン） （Ca²⁺）——によっても活性化されうる
  • ⚠️ ただしグランザイムgranzyme グランザイム（granzyme）granzyme（グランザイム） B単独ではエフェクターカスパーゼを完全には活性化できない。 無傷の細胞内では、グランザイムgranzyme グランザイム（granzyme）granzyme（グランザイム） Bはプロカスパーゼ3の切断を「開始」するところまでしか進めず、部分的に切断されたプロカスパーゼはIAPに押さえられたままになる。完全な活性化には、ミトコンドリアからのシトクロム cytochrome シトクロム（cytochrome） cytochrome（シトクロム） c・Smac/DIABLO・HtrA2/Omiの放出によりIAPの阻害が外れ、カスパーゼが自己プロセシングできるようになることが必要である（Bcl-2を過剰発現 overexpression 過剰発現（overexpression） overexpression（過剰発現） させるとこの放出が止まり、部分切断が起きても細胞は生き残る）²
  • そのミトコンドリア側の口火を切るのもグランザイム granzyme グランザイム（granzyme） granzyme（グランザイム） B自身である。グランザイムgranzyme グランザイム（granzyme）granzyme（グランザイム） Bはカスパーゼ8を介さずBidを直接切断して14 kDの切断型Bidを作り、これがミトコンドリアへ転位してBaxをカスパーゼ非依存的に動員し、シトクロムcytochrome シトクロム（cytochrome）cytochrome（シトクロム） c放出を起こす³。⭐ グランザイムgranzyme グランザイム（granzyme）granzyme（グランザイム） Bは「カスパーゼへの直接の一撃」と「Bid経由のミトコンドリア迂回路」の2本を同時に打つ——だからカスパーゼ阻害薬があっても細胞傷害性リンパ球は標的を殺しきれる

flowchart TD
  A["アポトーシスシグナル（GF欠乏・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='deoxyribonucleic acid'>DNA</span>損傷・ストレス・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='death ligand'>デスリガンド</span>・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='oncogene'>オンコジーン</span>侵襲）"] --> B["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='initiator'>イニシエーター</span>カスパーゼの自己活性化（二量体形成・相互切断）"]
  B --> C["エフェクターカスパーゼの活性化（増幅）"]
  C --> D["デス基質の切断"]
  D --> E["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='deoxyribonucleic acid'>DNA</span><span class='jp-term jp-term-diagram' title='fragmentation'>断片化</span>・細胞形態変化・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='organelles'>細胞小器官</span><span class='jp-term jp-term-diagram' title='fragmentation'>断片化</span>・細胞<span class='jp-term jp-term-diagram' title='fragmentation'>断片化</span>・<span class='jp-term jp-term-diagram' title='phagocytes'>貪食細胞</span>の活性化"]

カスパーゼカスケード

カスパーゼカスケードThe caspase cascade カスパーゼカスケード（The caspase cascade）The caspase cascade（カスパーゼカスケード） は破壊的・自己増幅的・不可逆的である。エフェクターカスパーゼは「デス基質」として知られる様々なタンパク質を切断する。デス基質の例：

カスパーゼの構造

イニシエーターinitiator イニシエーター（initiator）initiator（イニシエーター） カスパーゼは特殊なドメインを含む：

• DED＝デスエフェクタードメイン death effector domainデスエフェクタードメイン（death effector domain） death effector domain（デスエフェクタードメイン）
• CARD＝カスパーゼ動員ドメイン caspase-recruitment domainカスパーゼ動員ドメイン（caspase-recruitment domain） caspase-recruitment domain（カスパーゼ動員ドメイン）

→ これらのドメインが自己活性化を担う。エフェクターカスパーゼにはこれらのドメインが存在しない——エフェクターカスパーゼが自己活性化を行えない理由を説明する。

アポトーシス阻害因子

カスパーゼカスケードThe caspase cascade カスパーゼカスケード（The caspase cascade）The caspase cascade（カスパーゼカスケード） の活性化は不可逆的な細胞死につながるため、細胞はこれらのカスパーゼが適切な時にのみ活性化されることを保証する機構を持たなければならない。この機構は「アポトーシス阻害因子inhibitor of apoptosis protein (IAP)アポトーシス阻害因子（inhibitor of apoptosis protein (IAP)）inhibitor of apoptosis protein (IAP)（アポトーシス阻害因子）」ファミリーのタンパク質——IAPタンパク質として知られる——によって行われる。IAPタンパク質はカスパーゼの活性化に結合・阻害できる。アポトーシスが起こるためには、IAPタンパク質の阻害が生じなければならない。これらはミトコンドリアから放出されるタンパク質により阻害される（54-members-of-the-bcl-2-superfamily-and-their-roles-in-various-apoptotic-pathways・53-structure-and-function-of-the-apoptosome-disc-and-piddosome-complexes参照）。

⭐ カスパーゼは常にIAPというブレーキによって抑制されており、アポトーシスの実行にはこのブレーキ自体を外す（IAPを阻害する）という追加のステップが必要である——単にカスパーゼを活性化するシグナルだけでは不十分であり、この二重のチェック機構が細胞死の暴発を防いでいる。

⚠️ 「IAPはカスパーゼを阻害する」は、ヒトではほぼXIAP1つの話である。 IAPは複数のメンバーからなるファミリーだが、カスパーゼ活性を直接阻害できるのはおそらくXIAPのみで、XIAPが阻害に使う構造要素は他のメンバーには保存されていない（cIAP1・cIAP2などはカスパーゼに結合しても直接は阻害せず、主にユビキチンリガーゼ ubiquitin ligase ユビキチンリガーゼ（ubiquitin ligase） ubiquitin ligase（ユビキチンリガーゼ） としてシグナル伝達側で働く）⁴。試験で「IAPファミリー＝すべてカスパーゼ阻害因子」と一括りにしない。

💡 ブレーキを外す「ミトコンドリア由来タンパク質」には名前がある——Smac/DIABLOとHtrA2/Omiである。 これらはシトクロム cytochrome シトクロム（cytochrome） cytochrome（シトクロム） cと一緒にミトコンドリアから放出され、IAPに結合してカスパーゼの活性化を促す。SmacはN末端側のわずか4残基がXIAPのBIR3ドメインの第3βストランド beta strand βストランド（beta strand） beta strand（βストランド） に伸長構造で結合し、N末端の遊離アミノ基 amino group アミノ基（amino group） amino group（アミノ基） が必須という、きわめて小さな接点でブレーキを外している（この構造情報がIAP阻害薬＝Smacミメティックの設計の出発点になった）⁵。

💡 カスパーゼを介さずに死ぬ道もある。 ミトコンドリアからはAIF（アポトーシス誘導因子apoptosis-inducing factor (AIF)アポトーシス誘導因子（apoptosis-inducing factor (AIF)）apoptosis-inducing factor (AIF)（アポトーシス誘導因子））も放出され、これは核へ移行してカスパーゼ非依存性のプログラム細胞死を実行する。AIFを遺伝的に不活性化した胚性幹細胞 embryonic stem cell 胚性幹細胞（embryonic stem cell） embryonic stem cell（胚性幹細胞） は血清除去による細胞死に抵抗性を示し、AIF依存性の細胞死はApaf1やカスパーゼ9の発現と遺伝的に切り離せる⁶。したがって「カスパーゼ＝アポトーシスの唯一の実行者」ではなく、カスパーゼ阻害薬を使っても細胞死が完全には止まらないことがある。

まとめ

• アポトーシスは炎症を誘導しない（膜が破れず内容物を放出しない）プログラム細胞死であり、細胞の縮小・クロマチン凝縮・膜突起形成・アポトーシス小体apoptotic bodies アポトーシス小体（apoptotic bodies）apoptotic bodies（アポトーシス小体） 形成・貪食という一連の出来事を経る。
• カスパーゼはシステインを活性部位 active site 活性部位（active site） active site（活性部位） に持ちアスパラギン酸 aspartate アスパラギン酸（aspartate） aspartate（アスパラギン酸） 残基を切断するプロテアーゼであり、イニシエーターinitiator イニシエーター（initiator）initiator（イニシエーター） カスパーゼ（2、8、9、10；DED/CARDドメインによる自己活性化）がエフェクターカスパーゼ（3、6、7；自己活性化不可、増幅役）を活性化する2段階構造でカスケードを形成する。
• カスパーゼカスケードThe caspase cascade カスパーゼカスケード（The caspase cascade）The caspase cascade（カスパーゼカスケード） は破壊的・自己増幅的・不可逆的であり、デス基質（細胞接着タンパク質、ラミン、細胞骨格タンパク質、ゴルジマトリックスタンパク質）の切断を介して細胞死を実行する。この過程はIAPタンパク質（ヒトで直接カスパーゼを阻害できるのは実質XIAPのみ）により常時抑制されており、アポトーシスにはミトコンドリア由来因子（Smac/DIABLO・HtrA2/Omi）によるIAP阻害が必要である。一方、同じくミトコンドリア由来のAIFはカスパーゼ非依存性の細胞死経路を担う。