APOBEC3G

APOBEC3G（apolipoprotein B mRNA editing enzyme, catalytic polypeptide-like 3G）は、ヒトのAPOBEC3G遺伝子によってコードされる酵素であり、APOBEC（英語版）ファミリータンパク質の一種である。APOBECファミリータンパク質は抗ウイルス自然免疫において重要な役割を果たすことが示唆されている。APOBEC3Gはシチジンデアミナーゼの一種であり、一本鎖DNAに作用してシチジンをウリジンに変換（脱アミノ化）する反応を触媒する。APOBEC3GのC末端ドメインが触媒活性を付与しており、いくつかのNMR構造やX線結晶構造によって基質特異性や触媒活性が明らかにされている。 APOBEC3Gはウイルス複製を阻害することによりレトロウイルス（特にHIV）に対して抗ウイルス自然免疫活性を示す。しかし、HIVなどのレンチウイルスはこの作用に対抗するためにVif（英語版）（viral infectivity factor）と呼ばれるタンパク質を進化させている。VifはAPOBEC3Gと相互作用し、プロテアソーム経路によるAPOBEC3Gのユビキチン化と分解を引き起こす。一方、フォーミーウイルス（英語版）はアクセサリータンパク質Bet（P89873）を産生し、APOBEC3Gの細胞質における可溶性の喪失を引き起こす。BetとVifは異なる分子機序であるが、APOBEC3Gを抑制するという点は同じである。そのため、フォーミーウイルスのBet遺伝子をVif遺伝子に置き換えたウイルスを作成すると、Betの代わりにVifが働いてAPOBEC3Gを抑制し、組み換えウイルスは感染複製能を維持する。 APOBEC3Gは2002年にJarmuzらによって、22番染色体上のタンパク質APOBEC3Aから3Gまでからなるファミリーの一員として初めて発見された。その後ウイルスアクセサリータンパク質Vifを欠くHIV-1の複製を制限することができる細胞性因子であると分かった。そしてその後すぐに、APOBEC3GはシチジンデアミナーゼAPOBEC1（英語版）との相同性が認められたため、同じAPOBECファミリータンパク質の一員であることが明らかとなった。 APOBEC3Gは対称構造を持っており、2つの相同な触媒ドメイン、N末端ドメイン（CD1）とC末端ドメイン（CD2）からなる。CD1、CD2のそれぞれに亜鉛イオンの配位部位が含まれている。また各ドメインは、シチジンデアミナーゼの典型的なHis/Cys-X-Glu-X23–28-Pro-Cys-X2-Cysモチーフを有している。しかし、典型的なシチジンデアミナーゼとは異なり、APOBEC3Gは触媒内の2つのβシートの間に固有のαヘリックスを有している。このαヘリックスが補酵素結合部位となる可能性がある。 CD2は触媒活性を持ち、脱アミノ化と基質結合部位（モチーフ）の構造的特異性に不可欠である。CD1は触媒的に不活性であるが、DNAおよびRNAへの結合にとって非常に重要であり、APOBEC3G脱アミノ化の3'→5'方向のプロセシビティを決定している。また、CD2はCD1が存在しない場合にはデアミナーゼ活性を持たない。 生体内のAPOBEC3Gは、単量体、二量体、三量体、四量体、および高次のオリゴマーで構成されている。APOBEC3Gは二量体として機能すると考えられているが、実際には単量体とオリゴマーの混合物として機能している可能性がある。CD1に位置するD128残基はAPOBEC3GとVifとの相互作用に特に重要であるようであり、この残基がリジンに変異 (D128K) したAPOBEC3GはVifによる除去を防ぐ。さらに、128–130番残基は負に帯電したモチーフを形成し、Vifとの相互作用およびAPOBEC3G-Vif複合体の形成に重要である。また124–127番残基は、APOBEC3GのHIV-1ビリオン内への取り込みおよびその結果として生じる抗レトロウイルス活性にとって重要である。 APOBEC3Gは広く研究されており、HIV-1複製に悪影響を及ぼすいくつかのメカニズムが同定されている。 APOBEC3Gおよび同じファミリーの他のタンパク質は、活性化誘導（シチジン）デアミナーゼ（AID）として機能することができる。APOBEC3Gは、主に相補的DNA（cDNA）として発現したHIVのマイナス鎖DNAに対し、デオキシシチジンからデオキシウリジンへの変異を3'→5'方向のプロセシビティをもって無数に導入することで逆転写に干渉する。APOBEC3GはAPOBECスーパーファミリーに属しており、AIDとして機能するため、APOBEC3Gを介したシチジン脱アミノ化のメカニズムは、大腸菌のシチジンデアミナーゼのメカニズムと類似している可能性が高い。大腸菌のシチジンデアミナーゼはヌクレオチドと亜鉛結合領域周辺でAPOBEC1やAIDと高い相同性を持つことが知られている。現在予測されている脱アミノ化反応の機序は、亜鉛が配位した酵素によるシチジンピリミジン環の4位への直接的な求核攻撃によって駆動される。水は、水素原子とヒドロキシル基供与体の双方の供給源として必要である。4位の脱アミノ化（および結果として生じる酸化）によりカルボニル基が生成され、シチジンからウリジンへの変化が起こる。 脱アミノ化活性は最終的に、プロウイルスDNAの「ホットスポット」でG→Aの超変異をもたらす。このような超変異は、最終的にウイルスの遺伝コードおよび複製能力を破壊し、結果として多くの生存不可能なビリオンが形成される。APOBEC3Gは、その活性部位が変異してもはやレトロウイルスDNAを変異誘導できなくなった場合には、抗ウイルス効果は激減する。APOBEC3Gが介在する脱アミノ化は、変異した残基に引き付けられたDNA修復系によって、間接的にウイルスDNAの分解をもたらすと当初は考えられていた。しかし、ヒトAPOBEC3Gは、DNA修復酵素UNG（英語版）およびSMUG1とは独立してウイルスのcDNAレベルを低下させるため、この考えは誤りであると見なされるようになった。 APOBEC3GはDNA脱アミノ化とは無関係にHIV-1の逆転写を阻害する。tRNA3Lysは通常、HIV-1のプライマー結合部位に結合して逆転写を開始する。APOBEC3GはtRNA3Lysのプライミングを阻害し、それによってウイルスのssDNA産生およびウイルス感染を妨げることができる。逆転写は、APOBEC3GがウイルスRNAに結合し、立体的変化を引き起こすことによっても悪影響を受けると予測されている。 APOBEC3Gは、機能的な触媒領域とデアミナーゼ活性に依存する形で、ウイルスDNAの宿主ゲノムへの組み込みの干渉と関連していた。Mbisaらは、APOBEC3GがDNAマイナス鎖からのプライマーtRNAのプロセシングと除去に干渉し、その結果として異常なウイルスの3' LTR（long terminal repeat）DNA末端が形成されることを発見した。これらのウイルスDNA末端は、組み込みやプラス鎖DNA転移をするのには非効率的な基質である。その結果、HIV-1プロウイルスの形成が阻害される。 APOBEC3G mRNAが発現している細胞はnon-permissive（非感染許容性）であり、HIV-1はVifの機能なしには正常に感染複製できない。APOBEC3Gを発現する非感染許容性細胞としては生理的環境下における初代CD4陽性T細胞とマクロファージが挙げられる。APOBEC3GのHIV-1ビリオンへの取り込みはAPOBEC3Gの拡散と抗ウイルス作用の発揮のために極めて重要である。APOBEC3Gのウイルスビリオン内への取り込みの機序としては、1. APOBEC3Gの非特異的な詰め込み、2. APOBEC3Gと宿主RNAとの相互作用、3. APOBEC3GとウイルスRNAとの相互作用、4. APOBEC3GとHIV-1 Gagタンパク質との相互作用などが考えられるが、実験的に強く支持されるのは後者2つである。 ウイルスビリオンへのAPOBEC3Gの取り込み量は、ビリオンを産生している細胞内でのAPOBEC3G発現レベルに依存する。ある末梢血単核球を用いた研究においては、Vif非存在下におけるAPOBEC3G取り込み量はウイルスビリオン1個当たり平均7±4分子であり、それはHIV複製を阻止しうる量であった。 APOBEC3Gの役割は外因性レトロウイルスの複製阻害にとどまらず、ヒト内在性レトロウイルスにも作用しており、内在性レトロウイルスのDNA配列には超変異の痕跡が残されている。 APOBEC3G は非感染許容性細胞におけるHIV-1複製と感染性の重要な阻害因子であるが、VifはAPOBEC3Gの抗ウイルス機能に対抗し、APOBEC3Gが発現している細胞においても感染性HIV-1粒子の形成を可能にしている。VifはHIV-1の他のあらゆるタンパク質から独立して機能し、単独でAPOBEC3GのHIV-1粒子内取り込みを防いでいる。 APOBEC3Gは一般にHIV-1に対する抗ウイルス因子として研究されているが、最近の研究ではAPOBEC3Gが誘導する変異がHIV-1の感染伝播の成立を助けている可能性が見いだされている。まず、APOBEC3Gの標的DNA領域において脱アミノ化される塩基数は1塩基から多数の塩基まで様々であるが、APOBEC3Gに曝露される時間に依存している可能性がある。さらに、細胞内のAPOBEC3Gの濃度とウイルス超変異の程度との相関が報告されている。APOBEC3Gにより変異導入されたHIV-1プロウイルスの中には、ホットスポットおける変異数が少ないために感染性を失わずに生き残るものもあり、またAPOBEC3Gにより致命的変異を受けたプロウイルスと感染性のプロウイルスとの間の組換えが生じることにより生き残るものもある。そのようなウイルスの不活化に至らない程度の変異は逆にHIV-1集団の遺伝的多様性に貢献することになるため、APOBEC3Gが実はHIV-1の環境適応と感染伝播を促進している可能性がある。 ^ a b c GRCm38: Ensembl release 89: ENSMUSG00000009585 - Ensembl, May 2017 ^ Human PubMed Reference: ^ Mouse PubMed Reference: ^ Sheehy AM, Gaddis NC, Choi JD, Malim MH (August 2002). “Isolation of a human gene that inhibits HIV-1 infection and is suppressed by the viral Vif protein”. Nature 418 (6898): 646–50. Bibcode: 2002Natur.418..646S. doi:10.1038/nature00939. PMID 12167863.  ^ 高折晃史「APOBEC3ファミリー蛋白」『ウイルス』第55巻第2号、2005年12月、267–72頁、doi:10.2222/jsv.55.267、PMID 16557012。  ^ Vasudevan AA, Smits SH, Höppner A, Häussinger D, Koenig BW, Münk C (November 2013). “Structural features of antiviral DNA cytidine deaminases”. Biological Chemistry 394 (11): 1357–70. doi:10.1515/hsz-2013-0165. PMID 23787464. http://juser.fz-juelich.de/record/139785/files/FZJ-2013-05757.pdf.  ^ Chen KM, Harjes E, Gross PJ, Fahmy A, Lu Y, Shindo K, et al. (March 2008). “Structure of the DNA deaminase domain of the HIV-1 restriction factor APOBEC3G”. Nature 452 (7183): 116–9. Bibcode: 2008Natur.452..116C. doi:10.1038/nature06638. PMID 18288108.  ^ Shandilya SM, Nalam MN, Nalivaika EA, Gross PJ, Valesano JC, Shindo K, et al. (January 2010). “Crystal structure of the APOBEC3G catalytic domain reveals potential oligomerization interfaces”. Structure 18 (1): 28–38. doi:10.1016/j.str.2009.10.016. PMC 2913127. PMID 20152150. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2913127/.  ^ Holden LG, Prochnow C, Chang YP, Bransteitter R, Chelico L, Sen U, et al. (November 2008). “Crystal structure of the anti-viral APOBEC3G catalytic domain and functional implications”. Nature 456 (7218): 121–4. Bibcode: 2008Natur.456..121H. doi:10.1038/nature07357. PMC 2714533. PMID 18849968. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2714533/.  ^ Furukawa A, Nagata T, Matsugami A, Habu Y, Sugiyama R, Hayashi F, et al. (February 2009). “Structure, interaction and real-time monitoring of the enzymatic reaction of wild-type APOBEC3G”. The EMBO Journal 28 (4): 440–51. doi:10.1038/emboj.2008.290. PMC 2646150. PMID 19153609. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2646150/.  ^ Harjes E, Gross PJ, Chen KM, Lu Y, Shindo K, Nowarski R, et al. (June 2009). “An extended structure of the APOBEC3G catalytic domain suggests a unique holoenzyme model”. Journal of Molecular Biology 389 (5): 819–32. doi:10.1016/j.jmb.2009.04.031. PMC 2700007. PMID 19389408. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2700007/.  ^ Li M, Shandilya SM, Carpenter MA, Rathore A, Brown WL, Perkins AL, et al. (March 2012). “First-in-class small molecule inhibitors of the single-strand DNA cytosine deaminase APOBEC3G”. ACS Chemical Biology 7 (3): 506–17. doi:10.1021/cb200440y. PMC 3306499. PMID 22181350. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3306499/.  ^ Harris RS, Liddament MT (November 2004). “Retroviral restriction by APOBEC proteins”. Nature Reviews. Immunology 4 (11): 868–77. doi:10.1038/nri1489. PMID 15516966.  ^ a b Donahue JP, Vetter ML, Mukhtar NA, D'Aquila RT (July 2008). “The HIV-1 Vif PPLP motif is necessary for human APOBEC3G binding and degradation”. Virology 377 (1): 49–53. doi:10.1016/j.virol.2008.04.017. PMC 2474554. PMID 18499212. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2474554/.  ^ Jaguva Vasudevan AA, Perkovic M, Bulliard Y, Cichutek K, Trono D, Häussinger D, Münk C (August 2013). “Prototype foamy virus Bet impairs the dimerization and cytosolic solubility of human APOBEC3G”. Journal of Virology 87 (16): 9030–40. doi:10.1128/JVI.03385-12. PMC 3754047. PMID 23760237. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3754047/.  ^ Ledesma-Feliciano C, Hagen S, Troyer R, Zheng X, Musselman E, Slavkovic Lukic D, et al. (May 2018). “Replacement of feline foamy virus bet by feline immunodeficiency virus vif yields replicative virus with novel vaccine candidate potential”. Retrovirology 15 (1): 38. doi:10.1186/s12977-018-0419-0. PMC 5956581. PMID 29769087. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5956581/.  ^ Jarmuz, Adam; Chester, Ann; Bayliss, Jayne; Gisbourne, Jane; Dunham, Ian; Scott, James; Navaratnam, Naveenan (2002-03-01). “An Anthropoid-Specific Locus of Orphan C to U RNA-Editing Enzymes on Chromosome 22” (英語). Genomics 79 (3): 285–296. doi:10.1006/geno.2002.6718. ISSN 0888-7543. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0888754302967182.  ^ Greene, Warner C.; Debyser, Zeger; Ikeda, Yasuhiro; Freed, Eric O.; Stephens, Edward; Yonemoto, Wes; Buckheit, Robert W.; Esté, José A. et al. (2008-12-01). “Novel targets for HIV therapy” (英語). Antiviral Research 80 (3): 251–265. doi:10.1016/j.antiviral.2008.08.003. ISSN 0166-3542. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0166354208003823.  ^ a b Huthoff H, Malim MH (2005-04-10). “Cytidine deamination and resistance to retroviral infection: towards a structural understanding of the APOBEC proteins” (英語). Virology 334 (2): 147–153. doi:10.1016/j.virol.2005.01.038. ISSN 0042-6822. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0042682205000693.  ^ a b Chelico, Linda; Prochnow, Courtney; Erie, Dorothy A.; Chen, Xiaojiang S.; Goodman, Myron F. (2010-05). “Structural Model for Deoxycytidine Deamination Mechanisms of the HIV-1 Inactivation Enzyme APOBEC3G”. Journal of Biological Chemistry 285 (21): 16195–16205. doi:10.1074/jbc.m110.107987. ISSN 0021-9258. PMC 2871487. PMID 20212048. https://doi.org/10.1074/jbc.M110.107987.  ^ Li X, Ma J, Zhang Q, Zhou J, Yin X, Zhai C, et al. (2011-06-05). “Functional analysis of the two cytidine deaminase domains in APOBEC3G” (英語). Virology 414 (2): 130–136. doi:10.1016/j.virol.2011.03.014. ISSN 0042-6822. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0042682211001395.  ^ Mariani, Roberto; Chen, Darlene; Schröfelbauer, Bärbel; Navarro, Francisco; König, Renate; Bollman, Brooke; Münk, Carsten; Nymark-McMahon, Henrietta et al. (2003-07). “Species-Specific Exclusion of APOBEC3G from HIV-1 Virions by Vif”. Cell 114 (1): 21–31. doi:10.1016/s0092-8674(03)00515-4. ISSN 0092-8674. https://doi.org/10.1016/S0092-8674(03)00515-4.  ^ Xu, Hongzhan; Svarovskaia, Evguenia S.; Barr, Rebekah; Zhang, Yijun; Khan, Mohammad A.; Strebel, Klaus; Pathak, Vinay K. (2004-04-13). “A single amino acid substitution in human APOBEC3G antiretroviral enzyme confers resistance to HIV-1 virion infectivity factor-induced depletion” (英語). Proceedings of the National Academy of Sciences 101 (15): 5652–5657. doi:10.1073/pnas.0400830101. ISSN 0027-8424. PMC 397464. PMID 15054139. https://www.pnas.org/content/101/15/5652.  ^ Huthoff, Hendrik; Malim, Michael H. (2007-04-15). “Identification of Amino Acid Residues in APOBEC3G Required for Regulation by Human Immunodeficiency Virus Type 1 Vif and Virion Encapsidation” (英語). Journal of Virology 81 (8): 3807–3815. doi:10.1128/JVI.02795-06. ISSN 0022-538X. PMC 1866099. PMID 17267497. https://jvi.asm.org/content/81/8/3807.  ^ Mbisa, Jean L.; Barr, Rebekah; Thomas, James A.; Vandegraaff, Nick; Dorweiler, Irene J.; Svarovskaia, Evguenia S.; Brown, William L.; Mansky, Louis M. et al. (2007-07-01). “Human Immunodeficiency Virus Type 1 cDNAs Produced in the Presence of APOBEC3G Exhibit Defects in Plus-Strand DNA Transfer and Integration” (英語). Journal of Virology 81 (13): 7099–7110. doi:10.1128/JVI.00272-07. ISSN 0022-538X. PMC 1933301. PMID 17428871. https://jvi.asm.org/content/81/13/7099.  ^ Neuberger, Michael S.; Harris, Reuben S.; Di Noia, Javier; Petersen-Mahrt, Svend K. (2003-06). “Immunity through DNA deamination”. Trends in Biochemical Sciences 28 (6): 305–312. doi:10.1016/s0968-0004(03)00111-7. ISSN 0968-0004. https://doi.org/10.1016/S0968-0004(03)00111-7.  ^ a b Sadler, Holly A.; Stenglein, Mark D.; Harris, Reuben S.; Mansky, Louis M. (2010-07-15). “APOBEC3G Contributes to HIV-1 Variation through Sublethal Mutagenesis” (英語). Journal of Virology 84 (14): 7396–7404. doi:10.1128/JVI.00056-10. ISSN 0022-538X. PMC 2898230. PMID 20463080. https://jvi.asm.org/content/84/14/7396.  ^ Goila-Gaur, Ritu; Strebel, Klaus (2008-06-24). “HIV-1 Vif, APOBEC, and Intrinsic Immunity”. Retrovirology 5 (1): 51. doi:10.1186/1742-4690-5-51. ISSN 1742-4690. PMC 2443170. PMID 18577210. https://doi.org/10.1186/1742-4690-5-51.  ^ a b Guo, Fei; Cen, Shan; Niu, Meijuan; Saadatmand, Jenan; Kleiman, Lawrence (2006-12-01). “Inhibition of tRNA₃(Lys)-primed reverse transcription by human APOBEC3G during human immunodeficiency virus type 1 replication” (英語). Journal of Virology 80 (23): 11710–11722. doi:10.1128/JVI.01038-06. ISSN 0022-538X. PMC 1642613. PMID 16971427. https://jvi.asm.org/content/80/23/11710.  ^ Langlois, Marc-André; Neuberger, Michael S. (2008-05-01). “Human APOBEC3G Can Restrict Retroviral Infection in Avian Cells and Acts Independently of both UNG and SMUG1” (英語). Journal of Virology 82 (9): 4660–4664. doi:10.1128/JVI.02469-07. ISSN 0022-538X. PMC 2293047. PMID 18272574. https://jvi.asm.org/content/82/9/4660.  ^ Neuberger, Michael S.; Harris, Reuben S.; Di Noia, Javier; Petersen-Mahrt, Svend K. (2003-06). “Immunity through DNA deamination”. Trends in Biochemical Sciences 28 (6): 305–312. doi:10.1016/s0968-0004(03)00111-7. ISSN 0968-0004. https://doi.org/10.1016/S0968-0004(03)00111-7.  ^ a b Wissing S, Galloway NL, Greene WC (2010). “HIV-1 Vif Versus the APOBEC3 Cytidine Deaminases: An Intracellular Duel Between Pathogen and Host Restriction Factors”. Molecular Aspects of Medicine 31: 383-397. PMID 18597677.  ^ “APOBEC3G encapsidation into HIV-1 virions: which RNA is it?”. Retrovirology 5 (55): 55. (July 2008). doi:10.1186/1742-4690-5-55. PMC 2491656. PMID 18597677. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2491656/.  ^ Xu H, Chertova E, Chen J, Ott DE, Roser JD, Hu WS, Pathak VK (2007). “Stoichiometry of the antiviral protein APOBEC3G in HIV-1 virions”. Virology 360: 247-256. PMID 17126871.  ^ Armitage AE, Katzourakis A, de Oliveira T, Welch JJ, Belshaw R, Bishop KN, et al. (2008). “Conserved Footprints of APOBEC3G on Hypermutated Human Immunodeficiency Virus Type 1 and Human Endogenous Retrovirus HERV-K(HML2) Sequences”. Journal of Virology 82: 8743-8761. PMID 18562517.  ^ Lee YN, Malim MH, Bieniasz PD (2008). “Hypermutation of an Ancient Human Retrovirus by APOBEC3G”. Journal of Virology 82: 8762–8770. PMID 15383144.  ^ Goncalves J, Santa-Marta M (2004). “HIV-1 Vif and APOBEC3G: Multiple roads to one goal”. Retrovirology 1: 28. PMID 15383144.  ^ a b Pillai SK, Wong JK, Barbour JD (2008). “Turning up the volume on mutational pressure: Is more of a good thing always better? (A case study of HIV-1 Vif and APOBEC3)”. Retrovirology 5: 26. PMID 18339206.  ^ Mulder LC, Harari A, Simon V (2008). “Cytidine deamination induced HIV-1 drug resistance”. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 105: 5501-5506. PMID 18391217.  Human APOBEC3G genome location and APOBEC3G gene details page in the UCSC Genome Browser. “The APOBEC-2 crystal structure and functional implications for the deaminase AID”. Nature 445 (7126): 447–51. (January 2007). Bibcode: 2007Natur.445..447P. doi:10.1038/nature05492. PMID 17187054.  “Differential anti-APOBEC3G activity of HIV-1 Vif proteins derived from different subtypes”. The Journal of Biological Chemistry 285 (46): 35350–8. (November 2010). doi:10.1074/jbc.M110.173286. PMC 2975159. PMID 20833716. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2975159/.