細胞外スルファターゼSULF1およびSULF2

スルファタ－ゼは様々な分子の硫酸エステル結合を加水分解する酵素である。ヒトでは17種のスルファターゼ遺伝子が確認されており、多くはリソソームに局在する。リソソーム局在スルファターゼ群は、酸性条件下で硫酸化グリコサミノグリカンや硫酸化糖脂質などを糖分解酵素と協調して連続的に分解する。ヒトSULF1およびSULF2は細胞内局在スルファターゼ群とは異なるタンパク質をコードする遺伝子として2002年に同定された(1)。ヒトSULF1およびSULF2タンパク質はそれまで知られていたスルファターゼと異なり、細胞外に分泌されヘパリン／へパラン硫酸（HS）糖鎖を基質とすることが示された。糖鎖内部の硫酸基にはたらくエンド型スルファターゼであることが初めて明らかにされた。ヘパリン／HS糖鎖内には高度に硫酸化修飾された領域S-ドメインが存在する。SULF1およびSULF2はS-ドメインのIdoA2S-GlcNS6S単位（IdoA、GlcNS、2S、6S は、それぞれイズロン酸、N-硫酸化グルコサミン、2-O-硫酸、6-O-硫酸を表す）の６位硫酸基を遊離する活性をもつことが明らかにされた(1, 2)（図1）。酵素活性に対する至適pHが中性であることはこれらの酵素が細胞外ではたらくことを強く支持した(1)。

ヒトSULF1およびSULF2はそれぞれ全長871アミノ酸（aa）および870 aaでありお互い64%のaa配列が一致する。N末端に約20 aaのシグナルペプチド、約370 aaのリソソーム局在スルファターゼ群と相同性をもつ活性領域を有し、約320 aaの親水性領域（以下、HD領域）およびヒトエキソ型N-アセチルグルコサミン-6-スルファターゼと高い相同性をもつ約100 aaのC末端領域を有する（図1）。SULF1およびSULF2のアミノ酸配列はそれぞれ、ヒト及びマウス種間で93-94%一致し、非常に高い相同性がある(1)。SULF1およびSULF2の酵素活性領域にはSUMF1によりα−ホルミルグリシンに変換されスルファターゼ活性に必須であるシステイン残基が含まれる。SULF1およびSULF2はN-結合型糖鎖で修飾された約125 kDaの分子量タンパク質として生合成される。その後、FurinプロテアーゼによりHD領域内でプロセシングされ75 kDaと50 kDaのフラグメントとなる(1, 3-5)。これらのフラグメントはジスルフィド結合により結合する。ある条件下では、SULF1もしくはSULF2は二量体形成を示し(3)、またSULF2はHD領域内でコンドロイチン硫酸付加修飾を受ける(6)。SULF1およびSULF2のHD領域はSULFタンパク質の細胞表面局在においても重要なはたらきをする(1, 3, 7, 8)。ヒトSULF1およびSULF2は脂質ラフトと呼ばれる細胞膜に形成される動的な膜ミクロドメインに濃縮されており(3)、細胞外に分泌される活性型SULF2は超高速遠心によりペレットとして回収できる(9)。大変興味深いことに、Furinによるプロセシングは4-メチルウンベリフェリル硫酸基質に対するSULF1およびSULF2のスルファターゼ活性、ヘパリン／HS糖鎖基質に対するSULF1およびSULF2のエンドスルファターゼ活性のいずれの活性にも必須ではないが、脂質ラフトへの局在には必要である。脂質ラフトにおける各種タンパク質の相互作用は多くのシグナル伝達において重要である。SULF1およびSULF2のタンパク質プロセシングがWntなどのヘパリン結合性因子シグナル調節機構に深く関わることも示されている(3, 7, 10)。

図 1. 細胞外スルファターゼSULF1/SULF2の構造と酵素反応様式 a. ヒトSULF1、SULF2にはα−ホルミルグリシンに変換されるシステイン残基（Cys）が保存されている。ある条件下において、SULF2がコンドロイチン硫酸付加修飾を受けることが知られている（*）。 b. SULF1、SULF2はHS糖鎖内部「S−ドメイン」のIdoA2S-GlcNS6Sの６位硫酸基を遊離する。 c. SULF1/SULF2は小胞体においてシグナルペプチドが切断されプロタンパク質となる。親水性領域（HD）内に存在するFurinプロテアーゼ部位においてプロテアーゼ切断を受ける。これらはジスルフィド結合により連結し、細胞外へ分泌されるか細胞表面に局在する。Furinプロテアーゼ切断はSULF1/SULF2のスルファターゼ活性に影響を与えないが、脂質ラフトへの局在およびWntシグナル伝達促進作用には必須である。

SULF1およびSULF2が多くのタンパク質リガンドのヘパリンまたはHS糖鎖への結合を調節していることが明らかにされている(4, 11)。血管内皮増殖因子（VEGF）165、ケモカインC-X-Cモチーフ型リガンド12（CXCL12）、ケモカインC-C モチーフ型リガンド21（CCL21）の固相化ヘパリンへの結合が、SULF2前処理により消失または減少する。さらに、SULF2は固相化ヘパリンに結合したこれらリガンド分子を結合複合体から遊離する作用をもつ。細胞表面や細胞外マトリックスのHSプロテオグリカンに隔離又は貯留されているリガンド分子をSULF1もしくはSULF2が遊離させ、その受容体を発現する細胞への作用を促進するメカニズムの存在が提唱されている。骨形成タンパク質（BMP）のアンタゴニストとしてはたらくNogginがHS糖鎖との結合により細胞表面に限局されているとき、結合分子であるBMPは細胞表面のNogginに強固に捕捉される。SULF1によりNogginの細胞表面での限局が解かれると、BMPのその受容体への到達が容易となり、BMPシグナルの活性化が起こると考えられている。SULF1がNogginの局在をコントロールすることにより、BMPシグナルの受容を細胞レベルで選択している可能性がある。SULF1もしくはSULF2により正に制御されるリガンド分子とは対照的に、ヘパリン結合性上皮成長因子（HB-EGF）、線維芽細胞増殖因子2（FGF2）、肝細胞増殖因子（HGF）のシグナル伝達はSULF1もしくはSULF2発現細胞で負に制御される。細胞表面におけるリガンド-HS-受容体の複合体形成を困難にすることにより、細胞内への増殖シグナルの減少を誘導している可能性がある(11-15)。Sulf1とSulf2の重複分布と、それぞれのSulfが他方の欠失を補う能力は、マウスの発生において示されている。Sulf1とSulf2の二重欠損マウスでは、Sulf1もしくはSulf2の単一欠損マウスに比べて、発生過程の特定の組織で表現型異常がより深刻である(16-22)。病気の発症や進行など、異なる状態におけるSULF1およびSULF2の個々の機能と機能的協調性は今後の課題である。

ヒトがんにおけるSULF1、SULF2の発現上昇が広く報告されている。SULF1は肝細胞がん、膵臓がん、頭頸部扁平上皮がん、胃がん、肺腺がん、肺扁平上皮がんで発現が増加している。SULF2は、肝細胞がん、肺腺がん、肺扁平上皮がんで発現が増加している。SULF1およびSULF2のスプライシングバリアントの生成も報告されている。詳細は他文献を参照されたい(4, 11, 23-27)。ヒトがんにおいてSULF1およびSULF2は腫瘍促進的に作用することも抑制的に作用することもあると考えられている。対象となる疾患においてどのような分子シグナリングが発症および進行において支配的なのかがわかれば、SULF1およびSULF2の病因病態への関与の解明につながる。

内村 健治（フランス国立科学研究センター構造機能糖鎖生物学研究部門）

2023年 6月15日