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カスパーゼ(Caspase)とは、細胞にアポトーシスを起こさせるシグナル伝達経路を構成する、一群のシステインプロテアーゼである。システインプロテアーゼは活性部位にシステイン残基をもつタンパク質分解酵素であり、カスパーゼは基質となるタンパク質のアスパラギン酸残基の後ろを開裂する。Caspaseという名はCysteine-ASPartic-acid-proteASEを略したものである。

カスパーゼは他のカスパーゼを開裂し活性化するというカスケード(連鎖的増幅反応)の形で機能する。またある種のカスパーゼはサイトカイン(インターロイキン-1β)の活性化を通して免疫系の調節にも関与している。アポトーシスは正常な発生のほか、がんやアルツハイマー病などの疾病にも関係があることから、1990年代半ばに見出されて以来、治療のターゲットにもなりうるものとして注目されている。

◆発見、機能

カスパーゼがアポトーシスやプログラム細胞死に重要であることは、線虫 C.elegans の発生過程で起こる細胞死にced-3 遺伝子が必要であることを発見したホーヴィッツRobert Horvitzらによって初めて確認された。ホーヴィッツらは1993年に、ced-3 遺伝子にコードされるタンパク質が、哺乳類のインターロイキン-1-β転換酵素(ICE、現在はカスパーゼ-1とも呼ばれる)に似た性質をもつシステインプロテアーゼであることを見出した。続いて哺乳類や他の動物(ショウジョウバエなど)でも他の種類のカスパーゼが見つかった。同じ分子に別の研究者が別の名を付けることが多くなったため、この分野の研究者が1996年にカスパーゼの命名法を決定した。カスパーゼは発見順に番号が付けられ、最初に発見されたICEはカスパーゼ-1となった。しかし線虫でアポトーシスに関わるced-3 遺伝子に似ているのに、ICEの主機能はアポトーシスでなく炎症の誘導とされている。

◆構造と分類

カスパーゼは、線虫から哺乳動物にいたる多細胞動物に存在するタンパク質である。哺乳動物ではカスパーゼ-1からカスパーゼ-14までの14種類が見つかっており、これらはカスパーゼファミリーと総称される。このうちカスパーゼ-11と12は、マウスで発見されているが、ヒトでは見つかっていない。

大部分のカスパーゼはアポトーシスの誘導に関与しており、これらはアポトーシスの誘導の比較的初期に関わるイニシエーター・カスパーゼと、アポトーシスの実行そのものに関わるエフェクター・カスパーゼの2つのタイプに大別される。イニシエーター・カスパーゼには、カスパーゼ-8、-9などが該当し、アポトーシスのシグナル伝達経路の上流からの開始シグナルを受け取って活性化され、不活性型のエフェクターを活性化する役割を持つ。エフェクター・カスパーゼには、カスパーゼ-3、-7などが該当し、イニシエーター・カスパーゼなどによって活性化され、細胞内の他のタンパク質を分解してアポトーシスを起こさせる。また、カスパーゼ-1、-4はむしろサイトカインの活性化を通じて炎症誘導に働くのが主な役割だと考えられている。カスパーゼ-5、-11、-13、-14の役割については、2006年現在、よく判っていない。

カスパーゼファミリーは、分子量約30,000〜60,000程度のタンパク質である。これらはいずれも、細胞内では、まず酵素活性を持たない不活性型の前駆体(プロカスパーゼ)として合成され、その後、他のプロテアーゼの働きによって切断される。すなわち翻訳後修飾を受けているタンパク質である。この切断部位はいずれのカスパーゼにも二カ所存在しており、この部位を境として、N端側から、プロドメイン、p20、p10、と呼ばれる3つの領域に分けられる。このうち、p20とp10がカスパーゼのタンパク分解酵素活性を担っており、これらが切断された後で再び会合したものが、活性型のカスパーゼとして働く。活性中心のシステイン残基はp20のC末端の近くに存在する。p20とp10は、それぞれカスパーゼファミリーに共通した、相同性の高い領域である。ただしカスパーゼの種類によって、切断の際に認識するペプチドには若干の違いがあり、その認識の特異性は高い。例えばカスパーゼ-3はDEVD、カスパーゼ-8はIETDというアミノ酸配列を特異的に認識して、最後のアスパラギン酸(D)の部分で切断する。このカスケード反応の開始はそれぞれのカスパーゼに対する特異的な阻害剤によって阻害される。

プロドメインは、カスパーゼの種類ごとに大きく異なった構造を持ち、イニシエーター・カスパーゼはエフェクター・カスパーゼよりも大きなプロドメインを持つ。カスパーゼ-9、-2、-1、-4は、CARDと呼ばれる領域を、カスパーゼ-8、-10はDED(death effector domain)と呼ばれる領域を、それぞれプロドメインの中に有しており、これらの領域を介して他の分子と相互作用することで、カスパーゼの活性化の調節が行われている。他のカスパーゼのプロドメインの機能についてはよく判っていないが、カスパーゼの活性化調節に何らかの役割を果たしていると考えられている。

◆アポトーシスとカスパーゼ

多細胞動物の細胞は、発生の過程で、あるいはX線や抗がん剤などDNAを損傷するストレス刺激や、細胞へのウイルス感染やがん化させる刺激など、さまざまな刺激に対する生体防御機構の一つとして、自らアポトーシスを起こして自殺する機構を持っている。カスパーゼファミリーは、複数のカスパーゼが順に活性化されていくカスパーゼカスケードと呼ばれる一連のシグナル伝達経路を形成しており、アポトーシス誘導刺激に反応してこのシグナル伝達が行われることで、細胞にアポトーシスが誘導される。ほとんどのアポトーシスは、このカスパーゼカスケードに依存して誘導されるものであり、カスパーゼに対する阻害剤で細胞を処理することで、アポトーシスの進行そのものが阻害される。ただし、一部にはカスパーゼに依存しない、カスパーゼ非依存アポトーシス経路も存在することが知られている。

アポトーシスを誘導するストレスにはさまざまな種類があるため、それを感知するための機構もいくつかに分散され、細胞には複数の異なるカスパーゼカスケードが存在している。

◆カスパーゼカスケード

カスパーゼカスケードには、

・ミトコンドリアからの刺激で、イニシエーター(カスパーゼ-9)→エフェクター(-3、-6、-7)の順に活性化される経路

・細胞膜表面の受容体からの刺激で、イニシエーター(-8、-10、-2)→エフェクター(-3、-6、-7)の順に活性化される経路

・小胞体からの刺激で、イニシエーター(-12?)→エフェクター(-3、-6、-7)の順に活性化される経路

・イニシエーターを経ずに、ストレス誘導分子が直接エフェクター(-3、-6、-7)を活性化する経路

が存在する。

それぞれについて、それを担当するイニシエーターカスパーゼは異なるが、いずれの場合も最終的には同様に、エフェクターカスパーゼである、カスパーゼ-3、-7、-6が活性化される。

いずれのカスパーゼカスケードにおいても、シグナル伝達の基本的なメカニズムはほぼ同様である。

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