カルパインの組織機能論
Anatomical view of calpains
反町洋之、秦勝志、小野弥子
東京都医学総合研究所
カルパインプロジェクト
Hiroyuki Sorimachi, Shoji Hata, and Yasuko Ono
Calpain Project, Tokyo Metropolitan Institute of Medical Science
サマリー
多くの多細胞生物は、様々な組織・器官に特定の機能を分担させることで、生存の有利性を獲得した。そこでは発現蛋白質の特異的機能が鍵を握り、Ca2+-依存性プロテアーゼであるカルパインも例に漏れない。ヒト分子種の約半数は組織特異的に発現するが、これらは従来の概念を覆す新規な性質を有して、組織特有の機能へ関与することが近年明らかとなった。組織特異的分子種の多くはまだ解析途上だが、カルパインの生理機能を組織機能論から理解することを可能にするだけ
でなく、カルパインの普遍的作用機序が帰納的に導かれる可能性を秘める。本総説では、カルパイン機能の破綻による病態という観点から、主にマウスを用いた研究より明確になった知見を紹介し、個体のリノベーションへのカルパインの関与について考察する。

キーワード＆略語
カルパイン、カルシウム、骨格筋、胃腸、筋ジストロフィー、胃出血、調節的蛋白質分解、自己消化、
組織特異的
C2L: C2 domain-like domain（C2 ドメイン様ドメイン）、CysPc: calpain-like cysteine protease motif（カルパイン様プロテアーゼモチーフ）、DHPR: dihydropyridine receptor（ジヒドロピリジン受容体）、
LGMD: limb-girdle muscular dystrophy（肢帯型筋ジストロフィー）、NCBI: National Center for
Biotechnology Information（米国生物工学情報センター）、NSAID: nonsteroidal anti-inflammatory
drug（非ステロイド系抗炎症剤）、PEF: penta EF-hand motif（ペンタ EF ハンドモチーフ）、RYR:
ryanodine receptor（リアノジン受容体）、SNP: single nucleotide polymorphism（一塩基多型）、SR:
sarcoplasmic reticulum（筋小胞体）
はじめに
カルパインは脳に存在する中性プロテアーゼとして発見され、CANP とも呼ばれた 1)。現在では多くの生物からカルパイン分子種が同定され、スーパーファミリーとしての全体像が明らかとなった（ゲノム解読済みのほぼ全ての真核生物と 851 種中 42 種（2011 年春現在）の真正細菌に見出されるが、分裂酵母や古細菌には存在しない）1)。これを受けて、これまでコンセンサスに乏しかったカル

1

パインの命名を系統的に表 1 のように改名することが推奨されている（新旧名称の対応も表 1 参照）
2)。CAPN1 は、μ-calpain 活性サブユニットのことで、従来は μCL あるいは calpain-1 と呼ばれていた。

μ-calpain は哺乳類で組織普遍的に存在し、最も良く研究されてきた代表的分子種である。このプ
ロテアーゼドメインの配列モチーフは NCBI（米国生物工学情報センター）の Conserved Domain
Database では"CysPc"の名称で登録されており、ここでは「CysPc モチーフと有意なアミノ酸配列相同性を示す分子」をカルパインと定義する。CAPN1 は 1 つの小領域（N）と 3 つのドメイン（CysPc、
C2L、PEF）から構成され、上記の歴史的経緯からこのドメイン構造を古典型（classical calpains）と呼ぶ（図 1）。また、CAPN2 を活性サブユニットとする m-calpain と合わせて、両者を哺乳類のconventional calpains と呼ぶ。これらは、活性サブユニットと共通の制御サブユニット CAPNS1（30Kと呼ばれた）とが 1:1 のヘテロ二量体を形成して構成される活性酵素複合体である。
しかし、この古典型カルパインは一部の動物にのみ存在するだけで、殆どは CysPc-C2L-PEF のドメイン構造を持たない非古典型カルパイン（non-classical calpains）に分類される。非古典型カルパ
インはさらに複数のサブファミリー（族）に分類され（図 1）、中でもカビやハエに存在する PalB 及び
SOL サブファミリーはヒトまで広く分布しており、その機能の保存性と分岐性が興味深い 1)。ヒトのカ
ルパイン 15 分子種を構造で分類したものが図 2 であり、発現様式から「組織普遍的」と「組織特異的」分子種に分類することもできる。メカニズムという観点からは、カルパイン生理機能のほとんどは未解明だが、その重要性はここ十年間に進められた遺伝学的解析により因果論的に明確にされた。
哺乳類では、組織普遍的に発現する Capn2 または Capns1 のノックアウト（KO）マウスが胚性致死となり 3)、また、組織特異的カルパインの遺伝子変異は、筋ジストロフィーや胃潰瘍など、発現組織の機能不全を引き起こす。さらに、カビ・酵母では PalB 族のカルパイン欠損によりアルカリ応答不全
が、ハエでは SOL 遺伝子変異により視神経発生不全が生じる。本稿では紙面の都合上、哺乳類の組織特異的なカルパインに焦点を当てるが、カルパインが重要な生理機能を果たす場として広く生物界全体を視野に入れる必要があることを強調しておきたい。
1. 骨格筋と骨格筋特異的 CAPN3
哺乳類の骨格筋は最大の臓器であり、随意運動、血糖値調節、体温調節（震撼）、内臓保護、さらに、飢餓時には他臓器へのアミノ酸供給源の役割を担う、哺乳類の生存に必須な臓器である。この臓器の重篤な遺伝性疾患の一つが筋ジストロフィーである。筋ジストロフィーは単一遺伝子性の遺伝性疾患で、多くは劣性遺伝であり、筋線維の変性・壊死を主病変とし、進行性の筋力低下を症状とする 4)。その中で、肢帯型筋ジストロフィー（limb-girdle muscular dystrophy（LGMD））2A 型の責任遺伝子が CAPN3 をコードする CAPN3 である 5)。この当時、カルパインの遺伝子変異によって発症する疾患が CAPN3 由来のものだけであったため、LGMD2A はカルパイノパチーとも呼ばれる。
1) LGMD2A の病態生理学
LGMD2A は特定の地域（フランス・レユニオン島、アメリカ・インディアナ州など）ではかなり高い発2

症率（4,000～100 人に 1 人）が報告されている。CAPN3 は心筋に発現しないため LGMD2A では心筋に症状は見られない。
CAPN3 の活性不全が LGMD2A の根本原因であることは、次の 3 ステップで解明された。in vitro
での LGMD2A 変異体の解析に始まり、プロテアーゼ不活性型 CAPN3:C129S 変異体を発現する
トランスジェニックマウスの骨格筋がミオパチー症状を呈したこと、そして Capn3-/-マウスだけでなく
CAPN3:C129S のみを発現するノックイン（Capn3CS/CS）マウスが筋ジストロフィーを呈したこと 6)、である。
CAPN3 の in vitro 基質としては熱ショック蛋白質（HSP）60、フォドリン、カルパスタチン、翻訳系・解糖系・膜輸送などに関与する蛋白質が同定されているが 6),7),8)、in vivo 基質は明確でない。一方で、
CAPN3 のプロテアーゼ活性が、骨格筋細胞における自身の局在変化および細胞のストレス応答能に関与することが示唆されている 6),9)。CAPN3 はコネクチンの M 線および N2A 領域に直接結合するが、サルコメアの伸長に伴い N2A 領域への結合が増加すること、その変化は CAPN3 のプロ
テアーゼ活性に依存すること、が見出された 6)。また野生型マウスは運動ストレスに対して HSP 発
現高進などの応答を呈するが、Capn3CS/CS マウスではそれが認められなかった 6)。つまり、CAPN3には筋細胞の活動レベルに応じてダイナミックに局在を変化させる一種のセンサー分子としての機能があり、N2A 領域への集積により、他のシグナル伝達分子（筋アンキリン反復蛋白質など）10)が核からストレス反応を誘導する経路を賦活化するのではないかと考えられる。逆に、筋ジストロフィーの発症・進行は CAPN3 依存的なストレス応答機構の不全が蓄積した結果であるともいえる。
2) CAPN3 の特性
CAPN3 はカルパインに限らず、全プロテアーゼの中で特殊な分子である。まず、古典的カルパイン構造を持つが、Ca2+非存在下でも半減期 10 分弱で消滅するほど強い自己分解活性を示す（従来、筆者らは CAPN3 は Ca2+非依存的と主張していた）。この自己分解活性の調節因子は、相互作用分子である巨大筋弾性蛋白質コネクチン（タイチンとも呼ばれる）である 10)。また、この自己分解活性発現には CAPN3 特異的挿入配列 IS1 及び IS2（図 2）が必要である。さらに最近、CAPN3 は
Ca2+非存在下では高濃度の Na+により活性化され、細胞質（~15 mM の Na+が存在する）では、生理的濃度の Ca2+（~100 nM）によっても活性化される、つまり Na+/Ca2+依存的プロテアーゼであることを見出した 8)。これはカルパインとしては唯一の、細胞質内酵素としては初めての例である。骨格筋には CAPN3 だけでなく μ-及び m-calpain も発現するが、生理的 Ca2+濃度では後者はほとんど活性発現しないと考えられる。一方、CAPN3 は Na+と Ca2+両方が活性化因子であるため、各イオンの生理的な濃度変化に応じて活性化可能である。この性質は、CAPN3 が骨格筋細胞内で機能を果たすために重要であると考えられる 8)。
これに関連して、SR（sarcoplasmic reticulum: 筋小胞体）局在蛋白質と CAPN3 の相互作用が注目されている 11),12)。骨格筋は筋細胞膜の脱分極による細胞内[Ca2+]上昇で収縮するが、この反応では SR からの Ca2+放出が重要である。これは、SR の膜蛋白質である RYR（ryanodine receptor）と T
管の DHPR（dihydropyridine receptor）との相互作用により引き起こされるが、同時に筋細胞のごく

3近傍では[Na+]上昇が観察される。このわずかな細胞内の Na+/Ca2+濃度変化により CAPN3 が活性化され、直接・間接的に DHPR と RYR の相互作用を調節する、というのが現在の作業仮説である。
Ca2+または Na+による CAPN3 活性化では分解される基質が異なることから、周囲の蛋白質群はCAPN3 によって多種多様な機能修飾を受ける可能性がある。
ここで、なぜ、どのように CAPN3 にこのような性質がもたらされたのか、という疑問もわく。細胞外酵素ではあるが、血液凝固因子 Xa（セリンプロテアーゼ）は、CAPN3 同様に Na+/Ca2+依存性であり各イオンの結合サイトが活性中心を挟んで存在する。カルパインの CysPc ドメインは 2 つのサブドメ
イン（PC1 と PC2）に分割でき、それぞれに Ca2+が結合する（図 3）。CAPN3 では PC1 内の Ca2+結合部位（CBS-1）に Na+も結合することが示唆されている 8)。実は Ca2+と Na+のイオン半径はほぼ同じで、ある酵素の金属要求性を変異導入により K+→Na+→Ca2+ と変えることも可能である 13) 。
CAPN3 においては CBS-1 が Na+も結合できるように変異し、それが骨格筋機能との関連で有利であったのだろうか。
2. 胃粘膜と胃腸特異的 CAPN8 及び CAPN9
胃腸はトポロジー的には外界に接するユニークな構造体であり、特に胃粘膜は、強酸性環境下での外的ストレスに対して様々な粘膜防御機構を駆使して、恒常性を維持している。アルコールや
NSAIDs（非ステロイド系抗炎症剤）などは、この防御機構を破壊することで潰瘍性疾患を引き起こす要因ともなる。最近、粘膜防御の中心的役割を果たす表層粘液細胞に発現する CAPN8 と
CAPN9 がプロテアーゼ複合体として胃粘膜防御に機能することが明らかとなった 14)。
1) CAPN8 と CAPN9
ヒト CAPN8 と CAPN9 はアミノ酸レベルで約 50%の同一性を示す、ともに古典型カルパインである（図 2）。胃腸特異的に発現し、特に胃粘膜上皮の表層粘液細胞と腸粘膜上皮の杯細胞に局在する。これまでに、CAPN8 については細胞内輸送制御への関与 15)、CAPN9 についてはガン化機構への関連が示唆されてきた。また、in vitro での酵素学的性質が異なることから 16)、両者は個別に特有の機能を果たすと考えられていた。
CAPN8 と CAPN9 各々の KO マウス（Capn8-/-及び Capn9-/-）は共に外見上異常はなく、週齢に関わらず胃腸での腫瘍形成などは認められなかった。ところが Capn8-/-では CAPN9 が、Capn9-/-ではCAPN8 が、蛋白質レベルで発現低下を示した 14)。さらに、野生型マウスの胃粘膜抽出液の解析結果から、CAPN8 と CAPN9 が複合体 CAPN8/9（G-calpain と呼ばれた（G: gastric））を形成していることが明らかとなった。胃粘膜抽出液に Ca2+を添加すると野生型では CAPN8 と CAPN9 共に自己消化を起こすが、Capn8-/- では残存する CAPN9 の活性はほぼ失われていた。このことから、
CAPN8/9 複合体形成により初めて CAPN8 と CAPN9 がプロテアーゼとして安定に機能できること、
即ち、CAPN8 と CAPN9 が同一細胞に発現する生理的意義の一つはこの複合体形成であることが4

明らかとなった。前述のように conventional calpain は CAPN1 または CAPN2 と CAPNS1 との複合体であるが、現在のところ、CAPN8/9 は複数のカルパイン分子により形成される唯一の例である。

2) Capn8-/-と Capn9-/-での胃粘膜損傷の増悪傾向
Capn8-/-と Capn9-/-に 40%アルコール溶液を投与すると、どちらも野生型に比べて有意に胃粘膜損傷が増悪した。さらに、不活性型 CAPN8:C105S を野生型の代わりに発現するノックインマウス（Capn8CS/CS）では、CAPN8/9 複合体は形成するが、胃粘膜損傷実験において Capn8-/-と同様の表現型が観察された。以上の結果から、CAPN8 と CAPN9 は胃粘膜防御に機能すること、少なくとも
CAPN8 のプロテアーゼ活性は必須であることが明らかになった 14)。
CAPN8/9 複合体が発現する表層粘液細胞の機能は、粘液や重炭酸の分泌とともに、粘膜表層への細胞移動と細胞死をバランス良く行い速くターンオーバーすることで粘膜を保護することである。
Capn8-/-、Capn9-/-の表層粘液細胞の粘液産生能は通常時もストレス負荷時も正常であるため、下記の通り CAPN8/9 複合体の機能は表層粘液細胞のターンオーバー制御に関与することが示唆される。

3) CAPN8 及び CAPN9 の多型と胃疾患発症リスクとの関係について
遺伝子の機能を修飾する要素として一塩基多型（SNP）が注目されているが、ヒト CAPN8 及び
CAPN9 で は ア ミ ノ 酸 置 換 を 伴 う SNPs が 報 告 さ れ て い る 。 こ の 中 に は 、 ナ ン セ ン ス 多 型（CAPN8:Q386*）やカルパインファミリーで高く保存された残基の多型（CAPN9:A102V, R277W）が含まれ、特に CAPN9 の R277 は、CAPN3 の LGMD2A 変異の残基に相当する。in vitro アッセイの結果、上記を含め数種の SNPs で活性の減弱・消失が認められた。このことは、特定の SNP を有するヒトでは、CAPN8/9 複合体の機能不全によって外的ストレスに対する胃粘膜の抵抗性が低下しており、潰瘍症状の慢性化・重篤化のリスクが高まることを示唆する。
最近、CAPN8 の細胞移動制御への関与 17),18)や NSAIDs 処理細胞におけるカルパイン活性阻害19)が報告された。ここから、CAPN8/9 複合体が表層粘液細胞のターンオーバー制御に関与するな

らば、損傷した胃粘膜の修復過程で、特に細胞移動の制御を通じて表層粘液細胞の損傷箇所への補充を促進するという機構が考えられる。また、CAPN8、CAPN9 SNPs と胃疾患症例の相関は疫学的にも重要な知見となりうるため、粘膜損傷メカニズムの解明と合わせて、潰瘍性疾患の新しい診断・予防への応用に繋がると期待される。

おわりに

5

本稿では、カルパイン不全により組織機能の何が損なわれるのか、が比較的明らかな例として組織
特異的カルパインが関与する病態をとりあげた。残る組織特異的カルパインである CAPN6,
CAPN11, CAPN12 についても発現組織の恒常性に密接な機能を果たすことが強く予想される。特に、CAPN6 の場合は、発現が胎児筋及び胎盤と、時空間特異的に発現し、子宮頸ガン組織における発現亢進も報告されている 20),21)。さらに、ヒトカルパインファミリーに属しながら、唯一プロテアーゼ活性中心 Cys が Lys に置換した非プロテアーゼ型という特質をもち、培養細胞レベルで微少管の制御および細胞移動に関与するなど、ユニークな生理機能が報告されているため 22),23)、これらの特質が時空間特異的機能とどのような関連を持つのか、組織における機能解析が待望される。
これとは対照的に、組織普遍的な conventional calpain についてはその活性化と症状の重篤化の関係を示唆する報告が多い。そのため、制御機構の重要性が示唆されるものであり、この機構を解明すべく多大な研究活動が行われている 24),25)。カルパインに限ったことではないが、一種類の生物種に限っても、同じプロテアーゼファミリーに属しながら、組織普遍的及び特異的分子種が存在することは、その多様性の生理的意義と、その生理機能がどのように分担されてきたのか、など、進化的な観点からも興味深い。
哺乳類のホモログに限っても、多様な機能を果たすカルパインであるが、さらに、生物種を超えて広く生命現象に関わるプロテアーゼファミリーとしてカルパインをとらえ、比較的原始的な生物における作用機構・表現型と、より複雑な形態が実現されているヒト・マウスでの生理機能との関係性に着目する、という方法論からも新たな展開が期待されるように思われる。
文献（紙面の都合上、最近の論文に絞って引用した。他の文献は文献 1, 2 を参照されたい。）
1)

Sorimachi H., Hata S., Ono Y.: Proc. Jpn. Acad. Ser. B Phys. Biol. Sci. 87: 287-327, 20112)

Sorimachi H., Hata S., Ono Y.: J. Biochem. 148: in press, 20113)

Dutt P., Croall D. E., Arthur S. C. et al: BMC Dev. Biol. 6: DOI:10.1186/1471-1213X-1186-1183, 2006

4)

Ozawa E.: Proc. Jpn. Acad. Ser. B Phys. Biol. Sci. 86: 798-821, 2010

5)

Richard I., Broux O., Allamand V. et al: Cell 81: 27-40, 1995

6)

Ojima K., Kawabata Y., Nakao H. et al: J. Clin. Invest. 120: 2672-2683, 2010

7)

Ono Y., Hayashi C., Doi N. et al: Biotechnol. J. 2: 565-576, 2007

8)

Ono Y., Ojima K., Torii F. et al: J. Biol. Chem. 285: 22986-22998, 2010

9)

Ojima K., Ono Y., Doi N. et al: J. Biol. Chem. 282: 14493-11504, 2007

10) Hayashi C., Ono Y., Doi N. et al: J. Biol. Chem. 283: 14801-14814, 200811) Ojima K., Ono Y., Ottenheijm C. et al: J. Mol. Biol. 407: 439-449, 201112) Kramerova I., Kudryashova E., Wu B. et al: Hum. Mol. Genet. 17: 3271-3280, 2008
13) Bonagura C. A., Bhaskar B., Sundaramoorthy M. et al: J. Biol. Chem. 274: 37827-37833, 1999
14) Hata S., Abe M., Suzuki H. et al: PLoS Genet. 6: e1001040, 201015) Hata S., Koyama S., Kawahara H. et al: J. Biol. Chem. 281: 11214-11224, 2006616) Hata S., Doi N., Kitamura F. et al: J. Biol. Chem. 282: 27847-27856, 200717) Cousin H., Abbruzzese G., Kerdavid E. et al: Dev. Cell 20: 256-263, 201118) Raveendran N. N., Silver K., Freeman L. C. et al: J. Pharmacol. Exp. Ther. 325: 389-399, 200819) Silver K., Leloup L., Freeman L. C. et al: Int. J. Biochem. Cell Biol. 42: 2030-2036, 201020) Rho S. B., Byun H. J., Park S. Y. et al: Cancer Lett. 271: 306-313, 200821) Lee S. J., Kim B. G., Choi Y. L. et al: Oncol Rep 19: 859-863, 200822) Tonami K., Kurihara Y., Aburatani H. et al: Mol. Cell. Biol. 27: 2548-2561, 200723) Tonami K., Kurihara Y., Arima S. et al: J. Cell Sci. 124: 1214-1223, 201124) Nakajima R., Takao K., Huang S. M. et al: Mol. Brain 1: 7, 200825) Sato K., Minegishi S., Takano J. et al: J. Neurochem. 117: 504-515, 20117

表１ ヒトカルパイン関連遺伝子、遺伝子産物とその名称
遺伝子

染色体
位置

遺伝子欠損
マウスの
表現型

カルパイン活性サブユニット
platelet
11q13
CAPN1
dysfunction
embryonic
1q41-q42
CAPN2
lethal

推奨される遺伝子産物名

CAPN1
CAPN2
CAPN3

CAPN3

CAPN5
CAPN6
CAPN7

CAPN8

CAPN9

CAPN10

CAPN11
CAPN12

推奨される
酵素名

μ-calpain large subunit (μCL), calpain-1
CAPN1/S1
μCANP/calpain-I large subunit, μ80K
m-calpain large subunit (mCL), calpain2, mCANP/calpain-II large subunit,
CAPN2/S1
m80K
p94, calpain-3, calpain-3a, nCL-1
CAPN3/3

酵素名の
古典型
旧称

1q41

CAPN8
stress-induced
gastric ulcer CAPN8:ex1-9|10B
CAPN8:ex1-9|11-21

nCL-2, calpain-8, calpain-8a✔

✔

m-calpain

✔

✔

-

n.r.

calpain-12, calpain-12a, calpain-12A
calpain-12b, calpain-12B
calpain-12c, calpain-12C
calpain-12d (mouse)
calpain-13
calpain-14

CAPN15

16q12.2

n.r.

His

Asn C2L C2 PEF

+

+

+

+

-

+

+

+

+

+

-

+

+

+

+

+

-

+

+

+

+

+

-

+

レンズ、網膜（霊長類には存在し
ない）

✔

骨格筋

✔

✔

精巣
メラノーマ
精巣と脳に量が多い
胎児筋、胎盤✔
CAPN8/9,
CAPN8/8

G-calpain,-✔

G-calpain,-✔

✔

胃腸（CAPN8/8はin vitro での結
果のみ）✔

胃腸（CAPN9/S1はin vitro での
結果のみ）

✔

ドメインb)

赤血球以外

✔

✔

CAPN11/S1 μ/m-calpain

CAPN12
CAPN12:ex1-11|12B
CAPN12:ex1-11|13
CAPN12:ex1-9|20-21
CAPN13
CAPN14

Cys

✔

✔
✔

6p12

calpain-11, μ/mCL (chicken)

注記（発現部位など）✔

✔

CAPN8/9,
CAPN9/S1

CAPN11

活性中心残基a)✔

nCL-2', calpain-8b
nCL-2:Δex10,17~fs, calpain-8c

n.r.

発現

骨格筋（CAPN3/3はin vitro での
結果のみ）

✔

stress-induced CAPN9nCL-4, calpain-9, calpain-9a
1q42.11-q4
gastric ulcer
nCL-4:Δex8, calpain-9b
CAPN9:ex1-7|9-21
calpain-10, calpain-10a
CAPN10
CAPN10:ex1-8|9B|10 calpain-10b
CAPN10:ex1-7|10-12 calpain-10c
no significant CAPN10:ex1-8|10
calpain-10d
2q37.3
phenotypecalpain-10e
CAPN10:ex1-7|7B
CAPN10:ex1-2|3B|4-6 calpain-10f
CAPN10:ex1-2|13-14 calpain-10g
calpain-10h
CAPN10:ex1|10-12

19q13.2

組織
組織
普遍的 特異的μ-calpain(CAPN3:ex1B|2-5|714|17-24,
Lp82, Lp85, etc.
CAPN3:ex1B|2-5| 715q15.1- muscular
14|17|18B|19-24, etc. )dystrophy
q21.1
CAPN3:ex1-14|16-24 p94:Δex15
CAPN3:ex1C|2-14|16Up84
24
CAPN3:ex1D|13-24 Tp36
Mp18
CAPN3:ex1E|19-24
11q14
sudden death? CAPN5
calpain-5, hTRA-3, nCL-3
Xq23
calpain-6, calpamodulin, CANPX
CAPN6
n.r.c)
calpain-7, PalBH
CAPN7
3p24
n.r.
CAPN7:ex1-8|9B

2p22-p21 n.r.
CAPN13
2p23.1-p21n.r.
CAPN14
CAPN1516p13.3 n.r.
/SOLH
CAPN16
6q24.3n.r.
/C6orf103
制御サブユニット
embryonic
19q13.1
CAPNS1lethalCAPNS2

遺伝子産物名の他の呼び名✔

精巣（CAPN11/S1はトリでのみ同定され、組織普遍的に発現）

+

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+/+
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+/-

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+/+/+
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-

+
+
+

calpain-15, SOLH

✔

+

+

+

-

-

-

CAPN16Demi-calpain, calpain-16, C6orf103

✔

+

-

-

-

-

-

CAPNS1

CANP/calpain small subunit, 30K, css1,
calpain-s1, calpain-4, CAPN4

✔

-

-

-

-

-

+

CAPNS2

calpain small subunit 2, 30K-2, css2,
calpain-s2

✔

-

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-

+

-

-

-

-

-

-

✔

✔

✔
✔
✔
✔

毛包

食道に量が多い

阻害タンパク質

excitotoxicity
CANP inhibitorin neuronalcalpastatin
✔
cells
a
+はカルパインファミリー全体で良く保存された活性中心の3残基が各々存在すること、-はその部位が存在しないか、他の残基がその位置に存在すること、を示す。
b+または-は各々、該当するドメインを（++は2個）有する、または、有しない事を示し、+/-はそのドメインの一部のみを有することを示す。
CAST

c

5q15

未だ報告されていない。

図の説明
図 1 カルパインのドメイン構造と分類
A. conventional calpain のドメイン構造。歴史的に様々な区切りと呼び方が存在したが、本総説では最下段を採用する。
B. 様々な生物のカルパインのドメイン構造を模式的に分類して示した。古典型及び非古典型の 2
つのドメイン構造に分類され、後者はさらに数個のサブファミリー（族）に分類される。
PC1, PC2: CysPc 領域の 2 つのサブドメイン; C2L: C2 ドメイン様 Ca2+-結合領域; PEF(L), PEF(S):
活性または制御サブユニットの PEF ドメイン; GR: Gly に富んだ疎水性領域; C2: C2 ドメイン; SOH:
SOL 相同領域; MIT: 微小管相互作用モチーフ; Zn: Zn-フィンガーモチーフ
図 2 ヒトカルパインの構造と分類
A. ヒトカルパインの分子系統樹。図 1 に示した構造の分類にほぼ従った形で分岐している。
B. ヒトの主要なカルパインの構造を模式的に分類して示した。発現は普遍型（黒字）と組織特異型（反転白字）に分かれる。表 1 も参照。
NS, IS1, IS2: CAPN3 に特徴的な配列; IQ: カルモジュリン相互作用モチーフ; 他は図 1 を参照。
図 3 ファクターXa とカルパイン CysPc ドメインの立体構造
A. ファクターXa と Na+/Ca2+の共結晶構造（Protein Data Bank Accession No. （PDB AcNo.）2VVUを用いた）。
B. CAPN1 の CysPc ドメインと 2 x Ca2+の共結晶構造（PDB AcNo. 2R9C を用いた）。
どちらも、活性中心を挟むように 2 つのイオンが結合しており、CAPN3 では PC1 の Ca2+結合部位（CBS-1）に Na+も結合可能になっていると考えられる。描画は MolFeat Ver.4.5（FiatLux 社）による
交差視立体図。

9

図1
A
1

Ohno et al Nature 1984
( トリ calpain-11)
Hosfield et al EMBO J 1999
( ラット m-calpain)

I

C108

H265 N289

Strobl et al PNAS 2000
( ヒト m-calpain)in this review( ヒト m-calpain)

1 23

I

C105
92

IIa

C105

356

Protease D-II

D-III

H262 N286

209

IIb

342 355

III

H262 N286

210

560

IV 705514 530

D-IV 700

III

H262 N286

210

Protease D-I
Anchor

320

II

C105

1 19

1 16

B

80

342 356

PsI
PsII
N
N-terminal
Proteaseregionsubdomains(CysPc domain)1

511 533

IV

700

1

514 530

PEF(L) 700

1

C2L
C2-likedomainPEF
domain

V

V

86

VI

270

94

VI

268

96

PEF(S) 268

Gr
Gly-rich PEF
domain domain

Protease domain

Cys

典型型

PsI

PalB 族(MIT MIT

PalB グループ MIT MIT
TRA-3 グループ

非典型型
DEK1 族((

bacterial calpain 族

PsI
Cys

PsI

Cys

PsI

Cys

calpain-10 グループ

SOL 族

)

Cys

PsI
Cys

Zn

TM

His Asn

PsII

PsII

C2L

C2L/C2

PsII

C2L

C2L

PsII

C2L

C2

PsII

C2L

C2L

His Asn
His Asn
His Asn

) PsI
Cys

) PsI

His AsnCys

His Asn

PsII

PsII

PsII

Cys

PsI

demi-calpain 族

C2L

His Asn

His Asn

PsI

PEF

His Asn

PsII

SOH

C2L

図2

A

cal

pa

PalB族

in-

5/h

calpaiTRn-6calpain-7/PalB

lp

ca

A-

3

calpain-10

CL
/m
-2
ain
lp
L
ca ain-1/µC
calp

HDemi-calpain族

calpain-16/demi-calpain

非典型型カルパイン

制御 calpain-s2/30K-2
サブユニット calpain-s1/30K

典型型

calpain-1/µCL
calpain-2/mCL
calpain-13
calpain-14

典型型カルパイン

発現}

PEF(S)
Gr

組織普遍的
conventional calpains(µ-, m-calpain)

CysPcドメイン

Cys

N

組織普遍的

Ps1

Cys

calpain-3/p94

骨格筋

calpain-3b/Lp82
calpain-8/nCL-2
calpain-9/nCL-4
calpain-11
calpain-12

レンズ
胃腸
精巣
毛包

}

NS

}

calpain-6

胎児筋・胎盤

calpain-7/PalBH

組織普遍的

calpain-10

組織普遍的SOL calpain-15/SOLH

組織普遍的calpain-16
Demi /demi-calpain

組織普遍的

PsI

PsI
Cys
Lys

PsI

Cys
MIT MIT

PsI

Cys

PsI

Cys

Zn

PsII

IS1 PsII

CysN

His Asn

C2L
PEF(L)

His Asn

PsI

PalB calpain-5/hTRA-3 組織普遍的

非典型型

ca

calpain-3/p94
calp
ain11
cal
pa
in8/n
CL
-2

OL

B

-13

in
lpa

2
in-1
a
p
l
ca
CL-4
n
/
9
n
i
calpa

H

/S
L族 ain-15
O
S
calp

4

-1

n
ai

PsI
Cys

PsI

C2L

IS2
PEF(L)

His Asn

PsII

C2L

His Asn

PsII

C2L

C2

PsII

C2L

C2

PsII

C2L

C2L

PsII

C2L

PsII

SOH

His Asn
His Asn
His Asn

His Asn

C2L

IQ

図3

A

active site
triad
Asp

His
Ser

B

Ca2+-bindig
domain (CBS-II)

Ca -bindig
domain (CBS-I)
2+

proteasesubdomain
PsI

Asn
Cys Hisactive site
triad

proteasesubdomain
PsII

Na+

Ca2+