■構造と機能

│痛み関連受容体2│　←→受容体

→Gタンパク質共役型受容体　→酵素活性内蔵型受容体

●Gタンパク質共役型受容体 G Protein-Coupled Receptors: GPCR

Alfred Goodman Gilman（1941/7/1〜　米国の科学者）とMartin Rodbell（1925/12/1〜1998/12/7、米国の生化学者、内分泌学者）は、Gタンパク質に関する発見により、1994年にノーベル生理学・医学賞を受賞した。 　Rodbellは1960年代にGTPが細胞シグナリングに関係していることを示し、Gilmanが細胞内でGTPと相互作用し、シグナリング・カスケードを開始するタンパク質を実際に発見した。

Gタンパク質＝グアニンヌクレオチド結合タンパク質 細胞内の生化学的反応を切り替える「スイッチ」としてGTPをGDPへ替える。 セカンドメッセンジャー・カスケードに関連するタンパク質のファミリー。 Gタンパク質は細胞膜上の受容器の活性化と細胞の動作の重要な媒介となる。 分子量 約100kDa　（←→低分子量GTPaseの分子量：20-30kDa）



• Gタンパクは、活性化された膜受容体からのシグナルに反応し、細胞の形や極性、細胞内の物質輸送を調節する「シグナルの要」の役割を果たしている。
  

  Gタンパク質	┏→3量体GTPタンパク質を活性化する7回膜貫通型受容体
  	┗→低分子量GTPaseを活性化する受容体チロシンキナーゼ

• 市場で扱う薬の約半数が、GPCR関連の情報伝達の制御を目的とするため、総合的に、機能発現のメカニズムを理解することが強く望まれている。
• 1986年に網膜に存在し、光フォトンを受け取る受容体「ロドプシン」と心臓に存在する「β2アドレナリン受容体」が発見された。この2つの分子は、局在する組織も機能も全く異なるタンパク質であるにもかかわらず、「膜を7回貫通する」という構造的に共通点を持っていた。
  
  

  グアノシン3リン酸 guanosine triphosphate：GTP 正式名：グアノシン-5'-3リン酸 生物体内に存在するヌクレオチド 分子量 523.18 グアノシン2リン酸（guanosine diphosphate：GDP）からGTPのリン酸を受容して生合成される。 類似した構造を持つATPが生物体内で高エネルギーリン酸結合のエネルギーを利用して、様々な生合成や輸送、運動などの反応に用いられるのに対し、GTP は主として細胞内シグナル伝達やタンパク質の機能の調節に用いられる。 グアニル酸シクラーゼ：GC により、GTPからcGMPが合成され、cGMPはセカンドメッセンジャーとして機能する。 　←→PDE5阻害薬＝cGMP分解抑制薬

○3量体GTPタンパク質を活性化する7回膜貫通型受容体

• Gタンパク共役型受容体は、イオンチャネル型受容体より、ゆっくり作用するが、神経細胞において、広い範囲の調節的な応答を開始する。
• Gタンパク質共役型受容体は、細胞外のN末端に続く7回の細胞膜貫通ドメインを持つ。
• α，β，γからなるヘテロ3量体タンパク
  • 休止状態にはαサブユニット(Gα)がGDPと結合し、β, γサブユニット(Gβγ)とともに３量体を形成している。
  • 細胞外の受容体にリガンドが結合し、活性化すると、３量体型Gタンパク質はGDP-GTP交換反応によってGTP結合型に変換される。GαはGTP結合し、GβγはGαから解離する。
  • GTPaseの活性化によりGα上のGTPがGDPに変換されると、GαとGβγが再会合する。
• アデニル酸シクラーゼ (AC ) やイノシトールリン脂質ホスホリパーゼC (PLC )を活性化する。
• 活性型βγ複合体は、Kチャネルなどに結合して、チャネルを開放する。活性型αサブユニットが、結合しているGTPを加水分解して、GDP結合型の不活性型αサブユニットになると、βγ複合体と再び会合して、不活性型Gタンパクに戻る。
• 多くのGPCRはMitogen-activated protein kinase (MAPK)を活性化することができるが、このプロセスはGPCRのエンドサイトーシスやアダプタータンパクのチロシンリン酸化が関与していると考えられている。
  
  
• GαのみならずGβγも細胞内情報伝達を担当する。
  　⇒GPCRのインターナリゼーションによる脱感作
  
  

  トランス 　デューサー	Gs　参考1	Gi	Gq/G11　参考1
  受容体	プロスタグラジン アドレナリン-β1,β2 ヒスタミン-H2 アデノシン受容体P1A2a, P1A2b セロトニン5HT4,6,7 VIP PAC受容体	アドレナリン-α2 セロトニン5HT1 ヒスタミンH3, アデノシン-P1A1 ATP-P2x オピオイド受容体 CB1受容体 GalR1	ブラジキニンB1, B2 アドレナリン-α1 ヒスタミンH1 アデノシン-P1A3 タキキニン 代謝型グルタミン酸受容体 エンドセリン-ETA,B プロテアーゼ活性化受容体 GalR2
  エフェクター	AC↑	AC↓	PLC↑
  セカンド 　メッセンジャー	cAMP	cAMP	IP3	DAG
  作用分子	PKA	PKA	CaMK	PKC
  	ACがATPをcAMPに変換し、cAMPはcAMP依存性Aキナーゼ (protein kinase A: PKA)を活性化して様々な生理作用を発揮する。 Gsはコレラ毒素によって不活性化される。	Gsに拮抗し、ACの活性化を抑制する。 Ca2+チャネルを閉鎖し、内向き整流性K-チャネルを活性化して、ニューロンを過分極させる。 GIRKチャネルと共役している。 Giは百日咳毒素によって不活性化される。	PLCが、PIP2を分解して、IP3と DAGを生成する。 IP3は、ミトコンドリアからCa2+を遊離させたり、小胞体のCa2+チャネルであるIP3受容体に結合して、Ca2+-カルモジュリン依存性キナーゼ(CaMK)を活性化して、標的タンパクをリン酸化する。 DGは、PKCを活性化し、PKCは、標的タンパク質のセリン/スレオニンをリン酸化して特定遺伝子の転写を促進する。

  
  
  

  G12	Gタンパク共役型受容体が低分子GタンパクのSH2，SH3，PH，PZD，Znフィンガーなどのドメイン構造へシグナルを伝達することがわかってきた。 これが低分子Gタンパクの活性化に関与している。

  
  
  

  オーファンGタンパク質共役型受容体 Orphan G-Protein Coupled Receptors：orphan GPCR オーファン受容体＝リガンドが同定されていない受容体。 GPCRは生物現象のあらゆる場面で中心的な機能を持ち、最も重要な創薬ターゲットの一つである。 GPCRの多くはリガンドが未知であり、ヒトゲノム全体でGPCRは700から800近く存在している可能性が示唆されているが、リガンド既知の受容体が約250程度であり、残りはオーファン受容体である。 遺伝子情報の蓄積などによって新たに見いだされたオーファンGPCRは、未知なる生物現象の解明に繋がることが期待され、革新的な医薬創出のための新たなターゲットとしての魅力があり、新たなペプチドが発見されつつある。 オーファン(Gタンパク質共役型)受容体 内在性リガンド ORL1受容体 ノシセプチン/オーファニンFQ オレキシン受容体 オレキシン GPR7 GPR8 neuropeptide B neuropeptide W Mas アンギオテンシン-(1-7) c-Ret受容体 GDNF

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Gタンパク修飾　←TOXIN

Gタンパク拮抗阻害剤---GDP-β-S

コレラ毒素 cholera toxin* コレラ毒素は、毒素産生型コレラ菌が産生して菌体外に分泌するタンパク質性の外毒素である。毒素としての活性を持つAサブユニット(Activeサブユニット)1個と、細胞との結合活性を持つBサブユニット(Bindingサブユニット)5個から構成される、A1B5型と呼ばれる毒素タンパク質である。Aサブユニットは、細胞内でA1とA2という2つのサブユニットにさらに分解され、実際に毒素活性を示すのはA1サブユニットの方である。 A1サブユニットは、細胞内のNADをニコチンアミドとADPリボースに分解し、そのADPリボースをGタンパク質の一種である、受容体活性化Gsタンパク質に結合させる働きを持つ。 Ｇタンパク質GsのαサブユニットをADP-リボシル化し、GTPaseを不活性化することにより、非可逆的な活性化を起こし、常に活性化された状態になり、その結果、このGsタンパク質と結合しているアデニル酸シクラーゼがいつまでも活性化されつづけ、この酵素の働きによって細胞内のcAMPの濃度が上昇したままの状態になる。 脳には、コレラ毒素に似た活性化のある酵素が存在することが知られており、ある種のGタンパクあるいは他のタンパク質は、コレラの毒素の反応機構と同様な方法で生理的な調節を受けている可能性がある。

百日咳毒素 pertussis toxin：PTX Ｇタンパク質GiのαサブユニットをsADP-リボシル化し、受容体と相互作用できなくする。 現在知られているＧαのサブタイプ全18種類のうち、Giファミリーに属する8種類のみを基質とする。 GiαのC末端から4番目のアミノ酸がシステインなら百日咳毒素の基質となる。

ジフテリアdiphtheria toxin ヘテロ３量体Gタンパクではなく、低分子量Gタンパクであり、リボソームの機能制御に関与する真核生物の拡張因子elongation factor2: eEF-2をADP-リボシル化して不活性化する。

フォルスコリン Forskolin 1968年に、インド原産のシソ科植物コレウス・フォルスコリンの根からから単離された。←→アルカロイド コレウス・フォルスコリンは、インドでは伝統的に滋養強壮を目的として食用に用いられてきた。 受容体およびGタンパク質と無関係にアデニル酸シクラーゼを活性化する。 GiαとGoαサブユニットをADP-リボシル化し、βγサブユニットの結合を安定化させることにより不活性化させる毒素

フォルボールエステル Phorbol Ester トウダイグサ科（Euphorbiaceae）植物の殺魚成分 1934年にトウダイグサ科のクロトンオイル（ハズ油 Croton tiglium oil＝ハズ：Croton tiglium Linneの種子からとった油）の加水分解物から単離された。（Flaschenträger B, v. Wolffersdorff R (1934). "Über den Giftstoff des Crotonöles. 1. Die Säuren des Crotonöles". Helvetica Chimica Acta 17 (1): 1444–1452. ） ほとんどの極性有機溶媒および水によく溶解する。 PKC活性化物質 細胞のがん化を促進するプロモーター フォルボールエステルなどの刺激によってMAPキナーゼを介して転写誘導される。 PMA（Phorbol-12-myristate-13-acetate）；フォルボールエステルの一つ。ハズ科植物に含まれる物質で、クロトンオイルの有効成分。アフリカの一部の現地人はこの植物をガムの代わりに利用していて、舌がんが多く発生していた。 TPA（テトラデカノイルフォルボールエステル）：構造はDAGに似ている。 4α-PDD(4α-phorbo1,4β-phorbol,4α-phorbol-12,13-didecanoate）

→マストパラン---スズメバチのvenom 活性の一つにGタンパク質との直接結合と、その活性化がある。 GiαサブユニットのGTPaseを活性化することにより、GTPの結合した活性型αサブユニットの持続時間を短縮する作用がある。

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GTP結合タンパク質　←→GTP

■β-アレスチン β-arrestin　←→インターナリゼーション　参考1 Gタンパク質共役型受容体のリン酸化とそれに続く細胞内活性調節タンパク質、サイトゾル足場タンパク質 アレスチンは現在までに大きく4種類のサブタイプ（visual arrestin，β‐arrestin1，β‐arrestin2およびconespecific arrestin）が同定されている。 β-アレスチンは、起源を同じくするGタンパク質共役型受容体（GPCR、7回膜貫通型受容体群）と結合するヘテロ三量体のグアニンヌクレオチド結合タンパク質（Gタンパク質）を阻害するタンパク質としてもともと同定された。 β‐アレスチン1および2は種々の組織に広く分布しているが、特に中枢神経系において高密度に分布することが知られている。 β-アレスチンは、今日では様々な細胞表面受容体の正のシグナル伝達メディエーターとして評価されている。 マイトジェン活性化タンパク質キナーゼ（MAPK）、特に細胞外シグナル調節性キナーゼ1および2（ERK1/2）の活性化は、様々な増殖因子受容体および7TMRの刺激に起因する細胞内シグナル伝達の特徴となっている。結果として生じるERK活性は、複数の平行する、あるいは収束するメカニズムを介して引き起こされる可能性がある。 GPCRのリン酸化とそれに続くβ-アレスチンやダイナミンなどとの結合の結果、受容体の細胞膜内への移行（sequestration）とそれに付随して生じる細胞質内への移動（internalization）が重要とされている（Am J Respir Crit Care Med 158, 146‐153, 1998）． β-アレスチン1および2は諸種のGPCR刺激に対する細胞応答の減弱に関与するが、サブタイプ間における機能的役割についてはかなり異なることが指摘されている（Proc Natl Acad Sci USA 98, 1601‐1606 2001）。 β-アレスチン2はオピオイド耐性発現に関与する。 オピオイド受容体に関しても、従来からβ-アレスチン1がκ‐オピオイド受容体（KOP）およびδ‐オピオイド受容体（DOP）（（J Biol Chem 273, 24328‐34333, 1998）、β-アレスチン2がμ-オピオイド受容体（MOR）（Science 286, 2495‐2498, 1999）の脱感作にそれぞれ関与するという報告がなされている（Proc Natl Acad Sci USA 94, 377‐384, 1997）。

■ダイナミン dynamin ダイナミンは100kDのGTP結合タンパク質 ダイナミンは、微小管結合タンパク質として同定された。 3種類のサブタイプ（I，IIおよびIII）が同定されていて、そのいずれもが中枢神経系に分布し、Gタンパク質共役型受容体の機能変化に関与していることが報告されている。 オピオイド型薬物依存に関与する可能性が示唆されている。 μ-オピオイド受容体（MOR）を介したモルヒネ依存形成時においては、ラット脳内においてダイナミンの過剰発現が生じている（Mol Pharmacol 58, 159‐166, 2000）。

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●酵素共役型受容体

┏セリン・スレオニンキナーゼ型受容体
┣チロシンキナーゼ型受容体
┣チロシンキナーゼ会合型受容体
┣チロシンホスファターゼ型受容体
┗膜結合型グアニル酸シクラーゼ型受容体

○セリン・スレオニンキナーゼ受容体 Serine/threoninekinase receptors
　←→セリン・スレオニンキナーゼ

• サイトカイン受容体のBMP、TGF-β、Activinなどの受容体は、セリン・スレオニンキナーゼ受容体である。
• 骨形成タンパク質 Bone Morphogenetic Protein: BMPの作用は、セリン/スレオニンキナーゼ受容体を通じて、細胞内に伝えられる。II型受容体にBMPが結合すると、I型受容体がリン酸化、活性化される。活性化されたI型受容体は、Smadと呼ばれる転写因子群をリン酸化する。
• サイトカインのTGF-β(トランスフォーミング増殖因子β)スーパーファミリーの受容体には、2種類ある。TGF-βと結合した2型受容体は、1型受容体と複合体を形成する。2型受容体は、細胞内領域にセリン・スレオニンキナーゼ活性を有しており、結合した1型受容体の細胞内GS領域をリン酸化する。1型受容体もセリン・スレオニンキナーゼ型受容体であるが、GS領域がリン酸化されて初めて活性型キナーゼとなり、細胞の中にシグナルを伝えることができるようになる。1型受容体キナーゼが活性化されると細胞内情報伝達分子であるR-SmadのC末端SXSのセリン残基をリン酸化する。

○受容体型チロシンキナーゼ receptor tyrosine kinase: RTK　←→チロシンキナーゼ

• TrkA、c-Ret、サイトカイン受容体、SCF/EDF/FGF/PDGF/M-CSF/Insulin IGFなどの受容体は、チロシンキナーゼ型受容体である。
• チロシンキナーゼ型受容体は膜貫通型受容体であり、細胞質ドメインにチロシンキナーゼ活性部位があり、細胞外にリガンド結合部位がある。
• 哺乳動物では50種類以上のチロシンキナーゼ型受容体が知られていて、受容体毎にリガンドが結合する細胞外ドメインの構造が異なる。
• チロシンキナーゼ内在型受容体ファミリーは、細胞外からの増殖シグナルや分化シグナルを受容することによって活性化し、細胞内シグナル伝達分子へ情報を伝える。
• 細胞の分裂、分化、形態形成で重要な役割を演ずる。
• 基本的にはリガンド依存的に活性化される。

　[構造]

• 多くは、細胞膜を1回貫通する単量体として存在する。
• 膜貫通部位は単一のαヘリックスからなる。
• 細胞外ドメインはリガンドの受容体として働くが、この部分が別のユニットでジスルフィド結合で本体に結合しているものもある。
• 受容体にリガンドが結合するとき、同じ原理で2個の受容体分子が結合して、2量体（ホモダイマーまたはヘテロダイマー）となるものもある。
• 受容体が2量体化することれにより、受容体に内在するチロシンキナーゼが活性化され、自身がリン酸化されるとアダプタータンパクやドッキングタンパクを認識して、下流に情報を伝達するのが特徴である。
• 細胞外ドメインは、糖鎖や過酸化脂質で修飾されることがある。

　[制御]

• リガンドの結合により起こる反応によって、2種類に分かれる

  TrkA PDGF受容体 　など	2個の受容体分子の2量体化、あるいはゆるい2量体の安定化。チロシンキナーゼを受容体とするリガンドは多くが、「多価性 multivalent」、つまり1分子が複数の受容体分子に結合する。 PDGF（血小板由来増殖因子）の受容体などは、別の類似したキナーゼとヘテロダイマーを作り、細胞外シグナルに対する様々な応答を導くことができる。 TrkAの場合は、細胞外にあるNGF結合ドメインにNGFが結合すると、TrkAの会合が促進され、TrkAのホモ2量体が形成される。
  インスリン受容体 　など	トランス自己リン酸化(2量体の一方がもう一方をリン酸化すること)：不活性型ではキナーゼの2つのサブドメインが、ATPが活性中心に入れないような配置を取っている。 自己リン酸化によってサブドメインがずれ、ATPが入って反応できるようになる。 リン酸化を受けるアミノ酸がキナーゼドメインにいくつかあるばあい(たとえばインスリン様増殖因子受容体など)、リン酸化されたアミノ酸が多いほどキナーゼ活性は上昇する。この場合最初のリン酸化はシス自己リン酸化といい、これでキナーゼは「オフ」から「スタンバイ」状態に切り替わる。

○低分子量GTPaseと
　低分子量GTPaseを活性化する受容体型チロシンキナーゼ receptor tyrosine kinase
　（チロシンキナーゼ protein tyrosine kinase：PTK）

低分子量GTPase 分子量が20-30kDaとGタンパクより小さいために，こう呼ばれている。 ヘテロ三量体Gタンパク質とは異なり、GDP結合型（不活性型）あるいはGTP結合型（活性型）として単量体で存在している。 活性化されたGタンパクは、細胞の極性・運動や細胞内物質輸送を制御する。PTK下流のリン酸化カスケードにより核内に到達したシグナルは転写制御因子を調節することで遺伝子の発現を制御する。 Gタンパクと同様に、GDPと結合している際は機能を持たず（OFF）、GTPに結合して活性型（ON）となってシグナルを伝達する。 この低分子Gタンパクの変換（ONとOFF）は、GDP/GTP Exchange Protein：GEPと、GTPase activating protein：GAPとによって行なわれる。 5つのサブファミリーが現在知られている。 Ras ←→ras C末端が翻訳後脂質修飾（プレニル化：prenylation）を受けているので、脂質二重膜に局在している。 遺伝子発現に関与 この中で直接受容体により活性化されることが広く証明されている低分子量GTPは、Rasのみである。Rasを活性化する受容は、インスリン受容体に代表されるチロシンキナーゼ型受容体群である。 Rho ←→Rho-k C末端が翻訳後脂質修飾（プレニル化：prenylation)を受けているので、脂質二重膜に局在している。 低分子量GTPaseの1つで、GTPと結合した活性型とGDPと結合した不活性型で存在する。 遺伝子発現に関与、細胞骨格制御に関与 リゾホスファチジン酸（LPA）などの細胞外シグナルの下流で主にアクチン系の細胞骨格を介して、神経損傷、ストレスファイバーや接着斑の形成、平滑筋収縮などを制御していることが知られている。 Rab C末端が翻訳後脂質修飾(プレニル化：prenylation)を受けているので、脂質二重膜に局在している。 小胞輸送に関与 Arf/Sar 小胞輸送に関与 核・細胞質間輸送に関与 Ran 核・細胞質間輸送に関与

• おのおのの低分子量GTPaseは、細胞内の幅広い活動に固有の機能を発揮しており、受容体シグナルの顆粒に存在するものが多いものと予想されている。

Pain Relief

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