インスリン分解酵素

インスリン分解酵素（インスリンぶんかいこうそ、英: insulin degrading enzyme、略称: IDE）は、ヒトではIDE遺伝子にコードされる酵素である。 IDEはinsulysin、insulin proteaseという別名でも知らる。M16メタロプロテアーゼファミリーに属する亜鉛結合プロテアーゼであり、配列の面では大きく異なる、複数の短いペプチドを切断することが知られている。このファミリーの他のメンバーには、ミトコンドリアプロセシングペプチダーゼ（英語版）やpresequence protease（英語版）が含まれる。 ヒトのIDE遺伝子は28個のエクソンから構成され、バンド10q23-q25に位置している。 選択的スプライシングによって、ヒトのIDEには2つのアイソフォームが生じる。アイソフォーム1は約118 kDa、1019アミノ酸からなるのに対し、アイソフォーム2は約54.2 kDa、464アミノ酸からなる（1番から555番のアミノ酸を欠いている）。予測されるpIは、アイソフォーム1は6.16、アイソフォーム2は6.26である。IDEの構造解析からは、プロテアーゼ機構に関する知見が得られている。IDEの構造は以前に決定されていた細菌プロテアーゼピトリライシンの構造と類似しており、N末端とC末端のユニットが亜鉛結合部位を含むタンパク質分解チャンバーを形成している。さらに、IDEは2つのコンフォメーションで存在しているようであり、開いたコンフォメーションでは基質は活性部位にアクセスすることができるが、閉じた状態では活性部位は2つの凹面ドメインによって形成されるチャンバー内に閉じ込められている。開いたコンフォメーションを好むような標的変異導入によって、触媒活性は40倍高くなる。こうした観察に基づき、IDEが開いた状態を選択するようにしてアミロイドβの分解を高め、アミロイドβの凝集を防いで神経喪失を防ぐという方法が、アルツハイマー病の治療アプローチの可能性として提唱されている。 IDEはインスリンのB鎖を分解する能力が最初に同定された。この活性の存在自体は60年以上前に発見されたものであるが、B鎖の切断を特異的に担う酵素が同定されたのはより近年になってからである。この発見によって、以前から特性解析がなされていた細菌プロテアーゼであるピトリライシンとIDEとの間に相当なアミノ酸配列類似性がみられることが明らかにされ、共通するタンパク質分解機構の存在が示唆された。IDEは、変性条件下でのゲル電気泳動で110 kDa付近に泳動する。インスリン以外にも、グルカゴン、TGF-α、β-エンドルフィンなどがIDEの基質となることがこれまでに示されている。 アルツハイマー病の病因への関与が示唆されているペプチドであるアミロイドβ（Aβ）をIDEが分解することが発見され、IDEには大きな関心が寄せられている。アルツハイマー病の根本原因は不明であるが、観察される主要な神経病理はアミロイド斑の形成と神経原線維変化である。疾患の発症機構の仮説の1つであるアミロイド仮説では、疾患の原因は疎水的なAβペプチドであるとされ、Aβが何らかの機構で四次構造を形成して神経死を引き起こすことが示唆されている。Aβは、β-セクレターゼとγ-セクレターゼによるアミロイド前駆体タンパク質（APP）のプロセシングによって生じる副産物である。このプロセシングの生理的役割は不明であるが、神経系の発生に関与している可能性がある。 IDE、Aβの分解、そしてアルツハイマー病の相関は、in vitro、in vivoでの多数の研究によって示されている。IDE遺伝子の双方のアレルを欠失するよう改変されたマウスではAβの分解が50%減少し、その結果Aβは大脳に蓄積する。家族性アルツハイマー病の研究では、患者でIDEの発現と触媒活性の双方の低下が示されている。このように疾患におけるIDEの役割は明確である一方で、その生理的機能に関しては比較的わずかなことしか知られていない。IDEは細胞質基質、ペルオキシソーム、エンドソーム、プロテアソーム複合体、脳血管内皮細胞表面などいくつかの部位に局在しており、多様な機能を持っている可能性がある。上述したように、IDEが選択的に開いた状態となるようにすることでAβの分解を高め、Aβの凝集を防いで神経喪失を防ぐというアルツハイマー病の治療アプローチの可能性が提唱されている。 IDEが細胞質基質やペルオキシソームに局在しているという報告からは、このプロテアーゼがどのようにして内在性のAβを分解しているのかという疑問が生じる。いくつかの研究では培養細胞の馴化培地中でインスリン分解活性が検出されており、IDEの細胞膜透過性、もしくは透過性の高い細胞からIDEが放出されている可能性が示唆される。また、細胞外培地にIDEが存在することが抗IDE抗体を用いて明らかにされており、カラムクロマトグラフィーを用いてAβ分解活性の定量も行われている。馴化培地中のIDEの存在とAβ分解活性の相関から、透過性の高い膜が細胞外のIDE活性の原因となっていることが確認されている。一方で他の報告では、エクソソームを介してIDEが放出されていることが示唆されている。 IDEをめぐってAβと競合するインスリンによって、合成Aβのオリゴマー化が完全に阻害されることが観察されている。このことは、IDEの活性によっていくつかのAβ断片が連結されうることを示唆している。IDEによって産生されたAβ断片がAβペプチドのオリゴマー化を促進するか、もしくはこの断片自体がオリゴマー化するという仮説が立てられている。また、IDEによるAβの分解とオリゴマー化は未解明の独立した作用によって媒介されている可能性もある。 IDEの酵素反応機構の理解はいまだ不十分である。提唱されている機構の1つでは、第一段階として亜鉛に結合した水酸基が基質の炭素に求核攻撃を行うことで、遷移状態TS1を経て中間体INT1が形成される。その結果Zn2+−OH結合は切断され、水酸基は基質のカルボニル炭素へ完全に転移する。続く遷移状態TS2では、Glu111残基は回転して基質のアミド窒素、そして炭素に結合した−OH基との間で2つの水素結合を形成し、水素原子の受容体かつ供与体として振る舞う。2番目の結合が形成されることで、INT1で破壊されたZn2+−OHの再形成に有利な状態となる。そして遷移状態TS3でGlu111のプロトンが基質のアミド窒素へ転移されてペプチドのN—C結合が開裂し、反応産物が形成される。求核付加反応とペプチドアミド窒素のプロトン化は非常に迅速な過程であり、一段階で生じると考えられている。この過程の律速段階は求核付加反応であり、それ以降の触媒は大きな障壁なく進行する。 IDEの機能の研究にはモデル生物が利用されている。疾患の動物モデルを作製して関心のある科学者に頒布するハイスループット突然変異体作製プロジェクト国際ノックアウトマウスコンソーシアム（英語版）の一環として、Idetm1a(EUCOMM)Wtsiと呼ばれるコンディショナルノックアウトマウスが作製されている。 オスとメスのマウスに対して規格化された表現型スクリーニングが行われ、遺伝子欠失の影響が調査されている。変異体マウスには23種類の試験が行われ、2つの重大な異常が観察されている。ホモ接合型変異体マウスでは飲水行動の異常がみられ、オスではNK細胞数の増加が観察された。 ^ a b c GRCh38: Ensembl release 89: ENSG00000119912 - Ensembl, May 2017 ^ Human PubMed Reference: ^ Mouse PubMed Reference: ^ a b “Entrez Gene: IDE insulin-degrading enzyme”. 2023年3月25日閲覧。 ^ “Crystal and solution structures of a prokaryotic M16B peptidase: an open and shut case”. Structure 17 (11): 1465–75. (November 2009). doi:10.1016/j.str.2009.09.009. PMC 3615642. PMID 19913481. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3615642/.  ^ “Molecular basis of substrate recognition and degradation by human presequence protease”. Structure 22 (7): 996–1007. (July 2014). doi:10.1016/j.str.2014.05.003. PMC 4128088. PMID 24931469. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4128088/.  ^ a b “IDE - Insulin-degrading enzyme - Homo sapiens (Human) - IDE gene & protein”. 2023年3月26日閲覧。 ^ a b c “Structures of human insulin-degrading enzyme reveal a new substrate recognition mechanism”. Nature 443 (7113): 870–4. (October 2006). Bibcode: 2006Natur.443..870S. doi:10.1038/nature05143. PMC 3366509. PMID 17051221. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3366509/.  ^ “The inactivation of insulin by tissue extracts; the distribution and properties of insulin inactivating extracts”. Archives of Biochemistry 20 (1): 1–9. (January 1949). PMID 18104389.  ^ “Human insulin-degrading enzyme shares structural and functional homologies with E. coli protease III”. Science 242 (4884): 1415–8. (December 1988). Bibcode: 1988Sci...242.1415A. doi:10.1126/science.3059494. PMID 3059494.  ^ “beta-Amyloid degradation and Alzheimer's disease”. Journal of Biomedicine & Biotechnology 2006 (3): 58406. (2006). doi:10.1155/JBB/2006/58406. PMC 1559921. PMID 17047308. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1559921/.  ^ “Alzheimer's beta-amyloid peptide specifically interacts with and is degraded by insulin degrading enzyme”. FEBS Letters 345 (1): 33–7. (May 1994). doi:10.1016/0014-5793(94)00387-4. PMID 8194595.  ^ “Cytoplasmic domain of the beta-amyloid protein precursor of Alzheimer's disease: function, regulation of proteolysis, and implications for drug development”. Journal of Neuroscience Research 80 (2): 151–9. (April 2005). doi:10.1002/jnr.20408. PMID 15672415.  ^ “Insulin-degrading enzyme regulates the levels of insulin, amyloid beta-protein, and the beta-amyloid precursor protein intracellular domain in vivo”. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 100 (7): 4162–7. (April 2003). Bibcode: 2003PNAS..100.4162F. doi:10.1073/pnas.0230450100. PMC 153065. PMID 12634421. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC153065/.  ^ “Reduced hippocampal insulin-degrading enzyme in late-onset Alzheimer's disease is associated with the apolipoprotein E-epsilon4 allele”. The American Journal of Pathology 162 (1): 313–9. (January 2003). doi:10.1016/s0002-9440(10)63822-9. PMC 1851126. PMID 12507914. オリジナルの2003-08-30時点におけるアーカイブ。. https://archive.today/20030830123152/http://ajp.amjpathol.org/cgi/content/abstract/162/1/313 2008年2月10日閲覧。.  ^ “Decreased catalytic activity of the insulin-degrading enzyme in chromosome 10-linked Alzheimer disease families”. The Journal of Biological Chemistry 282 (11): 7825–32. (March 2007). doi:10.1074/jbc.M609168200. PMID 17244626.  ^ “Insulin degradation: progress and potential”. Endocrine Reviews 19 (5): 608–24. (October 1998). doi:10.1210/edrv.19.5.0349. PMID 9793760.  ^ “Insulin degrading enzyme is localized predominantly at the cell surface of polarized and unpolarized human cerebrovascular endothelial cell cultures”. Journal of Neuroscience Research 83 (7): 1262–70. (May 2006). doi:10.1002/jnr.20809. PMID 16511862.  ^ “Degradation of the cleaved leader peptide of thiolase by a peroxisomal proteinase”. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 92 (9): 3859–63. (April 1995). Bibcode: 1995PNAS...92.3859A. doi:10.1073/pnas.92.9.3859. PMC 42061. PMID 7731996. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC42061/.  ^ “Characterization of an insulin degrading enzyme from cultured human lymphocytes”. Diabetes Research and Clinical Practice 1 (1): 31–9. (March 1985). doi:10.1016/S0168-8227(85)80026-7. PMID 3915257.  ^ “Processing and presentation of insulin. III. Insulin degrading enzyme: a neutral metalloendoproteinase that is non-homologous to classical endoproteinases mediates the processing of insulin epitopes for helper T cells”. International Immunology 4 (10): 1161–7. (October 1992). doi:10.1093/intimm/4.10.1161. PMID 1283335.  ^ a b “Insulin-degrading enzyme regulates extracellular levels of amyloid beta-protein by degradation”. The Journal of Biological Chemistry 273 (49): 32730–8. (December 1998). doi:10.1074/jbc.273.49.32730. PMID 9830016.  ^ “Statins promote the degradation of extracellular amyloid {beta}-peptide by microglia via stimulation of exosome-associated insulin-degrading enzyme (IDE) secretion”. The Journal of Biological Chemistry 285 (48): 37405–14. (November 2010). doi:10.1074/jbc.M110.149468. PMC 2988346. PMID 20876579. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2988346/.  ^ a b “Human insulin-degrading enzyme working mechanism”. Journal of the American Chemical Society 131 (41): 14804–11. (October 2009). doi:10.1021/ja9037142. PMID 19785409.  ^ “Determination of the catalytic pathway of a manganese arginase enzyme through density functional investigation”. Chemistry 15 (32): 8026–36. (August 2009). doi:10.1002/chem.200802252. PMID 19288480.  ^ “The insulysin (insulin degrading enzyme) enigma”. Cellular and Molecular Life Sciences 63 (21): 2432–4. (November 2006). doi:10.1007/s00018-006-6238-9. PMID 16952049.  ^ “Ide Mouse Gene Details | insulin degrading enzyme | International Mouse Phenotyping Consortium” (英語). www.mousephenotype.org. 2023年4月7日閲覧。 ^ “Ide Targeted Allele Detail MGI Mouse (MGI:4431946)”. www.informatics.jax.org. 2023年4月7日閲覧。 ^ “A conditional knockout resource for the genome-wide study of mouse gene function”. Nature 474 (7351): 337–42. (June 2011). doi:10.1038/nature10163. PMC 3572410. PMID 21677750. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3572410/.  ^ “Mouse library set to be knockout”. Nature 474 (7351): 262–3. (June 2011). doi:10.1038/474262a. PMID 21677718.  ^ “A mouse for all reasons”. Cell 128 (1): 9–13. (January 2007). doi:10.1016/j.cell.2006.12.018. PMID 17218247.  ^ a b Gerdin AK (2010). “The Sanger Mouse Genetics Programme: High throughput characterisation of knockout mice”. Acta Ophthalmologica 88: 925–7. doi:10.1111/j.1755-3768.2010.4142.x.  ^ “The mouse genetics toolkit: revealing function and mechanism”. Genome Biology 12 (6): 224. (June 2011). doi:10.1186/gb-2011-12-6-224. PMC 3218837. PMID 21722353. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3218837/.  ペプチダーゼと阻害因子に関するMEROPSオンラインデータベース: M16.002 Insulin-Degrading Enzyme - MeSH・アメリカ国立医学図書館・生命科学用語シソーラス（英語）