カタラーゼ: 過酸化水素を分解する酵素

protein_gene/c/catalase
7-11-2017 updated

  1. 概要: カタラーゼとは
  2. カタラーゼと寿命
    • マウス
    • ショウジョウバエ
    • 線虫
  3. カタラーゼと酸化ストレス応答
  4. カタラーゼと脂質の酸化

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概要: カタラーゼとは

カタラーゼ catalase とは,過酸化水素 hydrogen peroxide (H2O2) を分解する以下の反応を触媒する酵素である。

2 H2O2 → 2 H2O + O2

この反応は,1 種類の分子から異なる 2 種の分子が生じる 不均化反応 である。

ヒトのカタラーゼ遺伝子は,Wilms tumor という若年性腎臓ガンのマーカーとしてクローニングされた (4)。11 番染色体上にあり,サザンブロットでバンドが 1 本であることから single copy gene と考えられている。

カタラーゼには,以下のような重要な性質がある。

  • ペルオキシソームで 脂肪酸 を酸化すると過酸化水素が発生する。カタラーゼはこれを除去する役目がある (5)。詳細は ペルオキシソームでの脂肪酸酸化 のページへ。
  • カタラーゼの H2O2 への親和性は,グルタチオンペルオキシダーゼや peroxiredoxins よりも低い (7)。これは,カタラーゼが高濃度 H2O2 の処理に向いており,シグナル分子としての H2O2 量の制御は他の 酵素 が行なっている可能性を示している。

カタラーゼの発現は,PGC-1α によって制御されている。

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カタラーゼと寿命

マウス

マウス では,カタラーゼを過剰発現させると寿命が長くなるという報告がある一方,効果なしとする報告もある。文献 1 は寿命延長を報告しているが,過剰発現しているのはミトコンドリアであり,本来のカタラーゼの局在とは異なる。おそらく,カタラーゼ過剰発現の効果は,オルガネラや臓器に非常に specific なものであると考えられる。

  • ミトコンドリアで過剰発現すると,酸化ダメージが減って寿命が 21% 長くなった (1)。
  • ペルオキシソームで過剰発現しても,わずかに寿命が長くなる (1)。

ショウジョウバエ

> ミトコンドリアで Mn SOD と catalase を発現させても寿命は延びない (5)。
  • Catalase は,活性と寿命にむしろ負の相関があった。
  • Mn SOD の過剰発現 (2 コピー) は寿命に影響しなかった。

線虫 C. elegans

C. elegansでは,カタラーゼ活性は一生の間に山形の変化を示し,3 週間目に低下する (2)。30 - 80 unit/mg protein である。寿命の長い age-1 mutant では,老齢期の活性低下がみられない傾向にあった (2)。

> カタラーゼの過剰発現は,孵化異常をもたらした (6)。
  • 過酸化水素が孵化に必要であると解釈している。
  • SOD-1 を過剰発現すると,この孵化異常は解消された。過酸化水素が供給されるようになったのか? だとすると,SOD とカタラーゼのバランスは非常に重要である。
  • カタラーゼの過剰発現は,単独でも SOD と一緒の場合でも寿命に影響しなかった。

カタラーゼと酸化ストレス応答

> 初代培養した astrocyte では,酸化ストレスで catalase mRNA が増える (3)。
  • 過酸化水素やパラコートで処理している。Mn SOD mRNA も増える。
  • Mn SOD は酸化ストレスでプロモーター活性も増大するので,転写量が増えていると考えられる。
  • Catalase は酸化ストレスでプロモーター活性が低下,mRNA の安定性が上がっていると思われる。
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カタラーゼと脂肪酸酸化

> 高脂肪食で,マウス のカタラーゼが選択的に増えることを示した論文 (7)。
  • 高脂肪食,絶食などの条件下で,心筋を MS でプロテオミクス。Western blot をイントロで dis っている。
  • 16 種類の抗酸化酵素を測定しているが,カタラーゼのみが有意に増えている。
  • ペルオキシソーム,ミトコンドリアでの過酸化水素生成が高脂肪食で up。
  • カタラーゼがミトコンドリアにも局在。
  • カタラーゼのタンパク質量増加は,Nrf2-/- マウスおよび PPARα-/- でも同様にみられる。これらは酸化ストレス応答および脂質酸化で働く代表的な転写因子。カタラーゼがどう制御されているか不明。

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References

  1. Schriner et al. 2005a. Extension of murine life span by overexpression of catalase targeted to mitochondria. Science 308, 1909-1911.
  2. Vanfleteren 1993a. Oxidative stress and ageing in Caenorhabditis elegans. Biochem J 292, 606-608.
  3. Rohrdanz 2001a. The influence of oxidative stress on catalase and MnSOD gene transcription in astrocytes. Brain Res 900, 128-136.
  4. Korneluk et al. 1984a. Isolation of human fibroblast catalase cDNA clones. Sequence of clones derived from spliced and unspliced mRNA. J Biol Chem 259, 13819-13823.
  5. Mockett et al. 2010a. Expression of multiple copies of mitochondrially targeted catalase or genomic Mn superoxide dismutase transgenes does not extend the life span of Drosophila melanogaster. Free Radic Biol Med 49, 2028-2031.
  6. Doonan et al. 2008a. Against the oxidative damage theory of aging: superoxide dismutases protect against oxidative stress but have little or no effect on life span in Caenorhabditis elegans. Genes Dev 22, 3236-3241.
  7. Rindler et al. 2008a. High dietary fat selectively increases catalase expression within cardiac mitochondria. J Biol Chem 288, 1979-1990.

カタラーゼの出てくる漫画