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。よって3番目のストランドと結合している。(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)。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。Databankに登録されている(図1A)。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(図1B)。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。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2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。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。魚類やニホン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。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。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。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[11]や分子間ジスルフィド結合[12]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1A)[10]やシステイン[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。SODの活性中心では金属イオン(M)の酸化還元を利用してスーパーオキシドを酸素への酸化と過酸化水素への還元を行っている。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。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。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。ミトコンドリア呼吸抑制能SOD1はミトコンドリアから漏出するスーパーオキシドの消去以外に、ミトコンドリアの酸素呼吸そのものを低下させる役割を持つことが明らかになってきた[14][15]。ALS変異未定)のアセチル化がSOD1の酵素活性には影響せずにSOD1がもつミトコンドリア呼吸抑制能を低下させることも報告されている[16]。多くの代謝酵素や転写因子のリシン残基のアセチル化やスクシニル化がミトコンドリア呼吸をはじめとする細胞内代謝を制御することがわかってきており[17]、SOD1のアセチル化もその一つだと考えられている。転写制御因子としての作用SOD1が酸化ストレス刺激で核内に入り、DNAに結合し、DNA修復遺伝子、ALSに関係する遺伝子、がん遺伝子やCu/Fe恒常遺伝子などの発現を制御する機能が報告されている[18][19]。細胞質に存在するSOD1が小胞体(ER)-ゴルジ体経路で細胞外に輸送され[20]、特に変異SOD1はクロモグラニンBと結合して分泌され細胞毒性に関与していることが報告された[21]。細胞外のカリウムイオンによって誘導された脱分極によってSOD1が細胞外に分泌されること[22]や神経細胞においてSOD1がムスカリン性アセチルコリン受容体を介してERK1/2とAKTを活性化すること[23]が報告されている。θは終止コドンやフレームシフト変異、インサートによってSOD1全長が変化している欠失変異を表している。哺乳動物でも保存されたアミノ酸残基を示し、黄緑色マーカーは魚類や哺乳動物など脊椎動物で保存されているアミノ酸残基を示している。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[24][25]。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[26]、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。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。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1、4)。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。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。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。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[27]、高濃度のSOD1アミロイドはヒドロゲルを形成する[28]。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[29]、熱安定性が低くプロテアーゼの攻撃を受けやすい[30]。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[31][32][33]。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[34]。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[11][35]。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。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[36][37]。tgマウス)がALSと同様の症状を示した[38]ことから、多くの変異SOD1を高発現させたマウスやラットがALSモデル動物として作製された。ALSの進行や病態の解析、発症機構の解明、治療方法の開発などに利用され、ALSの研究は大きく飛躍した。グルタミン酸の遊離阻害作用をもつ。tgマウスよりも多いこと[40]が報告されている。tgマウスの生存期間に変化は見られなかった[41]。ALSモデル動物の研究により、変異の種類によってALSの発症時期や罹病期間が異なることや、変異SOD1の発現量が多いほどALSの発症が早くなり罹病期間が短くなる(生存期間が短い)ことがわかってきた。inclusions)が見つかっている。tgマウス)はALS症状を示さなかったが、野生型SOD1を共発現させるとALS症状が現れた。マウスにおいても野生型SOD1の共発現によって発症が早まり、生存期間も短くなった[42]。野生型SOD1のみを高発現させたマウスでもALS様の症状が見られたことから[43]、孤発性ALSにおいても野生型SOD1の関与が示唆されている。実際、変異SOD1のみならず野生型SOD1高発現マウスから樹立させたiPS細胞由来の運動神経細胞においてもミスフォールドしたSOD1タンパク質の蓄積が観察されている[44]。従って、変異の有無に関わらずSOD1タンパク質自体のミスフォールディングや凝集化がALS発症に関与する可能性が考えられている。CCS)が働いており、CCSを欠損した酵母は致死となる[45]。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[46]。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。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。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[49]。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[50]。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[51][52]。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[53]。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[54]。tg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[55]。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。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[56]。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。tg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[57][58]。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[59]。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[60]。tgマウスは逆にALSの進行が早まった[61]。神経変性疾患の原因の一つとして小胞体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小胞体に蓄積して小胞体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[62][63][64]。tg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。概念が提唱されている[69][70]。プリオン伝播作用とワクチン療法また細胞外に放出されたミスフォールドSOD1が隣接する細胞に取り込まれ、その細胞内のSOD1をミスフォールディングさせるプリオン伝播作用を示すことが提唱された[71][72]。ALS患者脳脊髄液中に存在する可溶性ミスフォールド野生型SOD1が運動ニューロン様細胞に対して細胞毒性を示す[37]。そこで、細胞外(脳脊髄液)のミスフォールドSOD1をターゲットにした新たなALS治療法が開発されるようになってきた。マウスを用いた実験段階であるが、ミスフォールドSOD1に特異的な抗体を髄腔内投与する療法やSOD1を投与して生体内で抗体を作らせるワクチン療法の効果が報告されている[73][74]。SOD1に対する核酸医薬SOD1の翻訳を阻害する核酸医薬の開発競争も始まっている[75][76][77]。mRNAを分解するアンチセンス薬tofersenの髄腔内投与の効果・安全性を検討する第1/第2相試験が行われており、第3相試験への期待が高まっている[78]。SOD活性なし)の症例が2例報告された。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。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[79][80]。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。SOD1ノックアウトマウスは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[26]、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[81]、腎臓や肝臓に鉄が蓄積すると考えられる[82][83][84]。普通食でも脂肪肝から肝硬変になり[85][86]、高齢になると肝腫瘍が発生する[87]。難聴[88]、骨減少症[89]、骨格筋の萎縮[90]、皮膚萎縮症[91]、加齢黄斑変性[92]などの老化症状が見られている。アルツハイマー病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[93]]。国際のライセンスで利用できます。脳科学辞典について免責事項モバイルビュ。