「リンゴ酸シンターゼ」の版間の差分
削除された内容 追加された内容
編集の要約なし |
img |
||
| (2人の利用者による、間の3版が非表示) | |||
| 5行目: | 5行目: | ||
| IUBMB_EC_number = 2/3/3/9 |
| IUBMB_EC_number = 2/3/3/9 |
||
| GO_code = 0004474 |
| GO_code = 0004474 |
||
| image = |
| image = 3oyz.jpg |
||
| width = |
| width = 270 |
||
| caption = |
| caption = |
||
}} |
}} |
||
'''リンゴ酸シンターゼ''' |
'''リンゴ酸シンターゼ'''（Malate synthase、{{EC number|2.3.3.9}}）は、以下の[[化学反応]]を[[触媒]]する[[酵素]]である。 |
||
:アセチルCoA + 水 + グリオキシル酸<math>\rightleftharpoons</math>(S)-リンゴ酸 + 補酵素A |
|||
: アセチルCoA + 水 + グリオキシル酸 <math>\rightleftharpoons</math> (''S'')-リンゴ酸 + 補酵素A |
|||
従って、この酵素の基質は[[アセチルCoA]]と[[水]]と[[グリオキシル酸]]の3つ、生成物は(''S'')-[[リンゴ酸]]と[[補酵素A]]の2つである。 |
|||
| ⚫ | この酵素は[[転移酵素]]、特に[[アシル基]]を[[アルキル基]]に変換する[[アシルトランスフェラーゼ]]に分類される。系統名は'''アセチルCoA:グリオキシル酸 C-アセチルトランスフェラーゼ (チオエステル加水分解, カルボキシメチル形成)'''(acetyl-CoA:glyoxylate C-acetyltransferase (thioester-hydrolysing, carboxymethyl-forming))である。他に、glyoxylate transacetase、glyoxylic transacetase、malate condensing enzyme、malate synthetase、malic synthetaseやmalic-condensing enzyme等とも呼ばれている。この酵素は、グリオキシル酸と[[ジカルボン酸]]の代謝に関与している。 |
||
| ⚫ | この酵素は[[転移酵素]]、特に[[アシル基]]を[[アルキル基]]に変換する[[アシルトランスフェラーゼ]]に分類される。系統名は'''アセチルCoA:グリオキシル酸 C-アセチルトランスフェラーゼ (チオエステル加水分解, カルボキシメチル形成)''' (acetyl-CoA:glyoxylate C-acetyltransferase (thioester-hydrolysing, carboxymethyl-forming)) である。他に、glyoxylate transacetase、glyoxylic transacetase、malate condensing enzyme、malate synthetase、malic synthetaseやmalic-condensing enzyme等とも呼ばれている。この酵素は、[[ピルビン酸]]、グリオキシル酸と[[ジカルボン酸]]の代謝に関与している。 |
||
| ⚫ | |||
2007年末時点で、4つの構造が解明されている。[[蛋白質構造データバンク]]のコードは、{{PDB link|1P7T}}、{{PDB link|1Y8B}}、{{PDB link|2GQ3}}及び{{PDB link|2JQX}}である。 |
|||
== |
== 構造 == |
||
[[File:Malate synthase structure including active site.png|thumb|300x300px|リンゴ酸シンターゼの結晶構造（左）と、かっせぶいの拡大図（右）。反応産物であるリンゴ酸と配位マグネシウムカチオンと複合体を形成している<ref name=":0">{{PDB|5T8G}}; {{cite journal|date=December 2016|title=Mycobacterium tuberculosis Malate Synthase Structures with Fragments Reveal a Portal for Substrate/Product Exchange|journal=The Journal of Biological Chemistry|volume=291|issue=53|pages=27421–32|doi=10.1074/jbc.m116.750877|pmid=27738104|pmc=5207166|vauthors=Huang HL, Krieger IV, Parai MK, Gawandi VB, Sacchettini JC}}</ref>。]] |
|||
リンゴ酸シンターゼは、アイソフォームAとアイソフォームGの2つの大きなファミリーに分類される。アイソフォームGは[[細菌]]にのみ存在する約 80 k[[統一原子質量単位|Da]]のタンパク質で、単量体または二量体として存在する<ref name="Smith">{{cite journal|date=January 2003|title=Biochemical and structural studies of malate synthase from Mycobacterium tuberculosis|journal=The Journal of Biological Chemistry|volume=278|issue=3|pages=1735–43|doi=10.1074/jbc.M209248200|pmid=12393860|vauthors=Smith CV, Huang CC, Miczak A, Russell DG, Sacchettini JC, Höner zu Bentrup K|doi-access=free}}</ref><ref>{{Cite journal|last=Kumar|first=Ranjeet|last2=Bhakuni|first2=Vinod|date=2010-10|title=A functionally active dimer of mycobacterium tuberculosis malate synthase G|url=https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20306314|journal=European biophysics journal: EBJ|volume=39|issue=11|pages=1557–1562|doi=10.1007/s00249-010-0598-7|issn=1432-1017|pmid=20306314}}</ref>。アイソフォームAは各サブユニットが約 65 kDaのホモ多量体タンパク質で、[[真核生物]]でみられる<ref name="Durschlag">{{cite journal|date=February 1981|title=Large-scale purification and some properties of malate synthase from baker's yeast|journal=European Journal of Biochemistry|volume=114|issue=2|pages=255–62|doi=10.1111/j.1432-1033.1981.tb05144.x|pmid=7011808|vauthors=Durchschlag H, Biedermann G, Eggerer H}}</ref>。この酵素は中心に[[TIMバレル]]が[[N末端]]の[[αヘリックス]]の留め金に挟まれて存在し、α/βドメインがTIMバレル配列から伸びている。[[C末端]]の5本のヘリックスからなるプラグで終わる。アセチルCoAとグルオキシル酸が結合する活性部位は、TIMバレルとC末端プラグの間に位置している<ref name="Anstrom">{{cite journal|date=September 2003|title=Structure of the Escherichia coli malate synthase G:pyruvate:acetyl-coenzyme A abortive ternary complex at 1.95 A resolution|journal=Protein Science|volume=12|issue=9|pages=1822–32|doi=10.1110/ps.03174303|pmid=12930982|pmc=2323980|vauthors=Anstrom DM, Kallio K, Remington SJ}}</ref>。結合に際し、アセチルCoAは[[アデニン]]環のN7と[[パンテテイン]]テールの[[ヒドロキシル基]]との間の分子内[[水素結合]]によって、結合ポケットへJ字型となって挿入される<ref name="Anstrom" />。さらに、活性部位内では[[マグネシウム]]イオンにグリオキシル酸、グルタミン酸427番残基、アスパラギン酸455番残基、2つの水分子が配位している<ref name="Anstrom" />。結合の際にアセチルCoAと相互作用するアミノ酸は高度に保存されている<ref name="Smith" />。各アイソフォームの分類内の配列同一性は高いが、分類間の配列同一性は約15%にまで低下する<ref name="Serrano">{{cite journal|date=August 2001|title=Sequencing, phylogenetic and transcriptional analysis of the glyoxylate bypass operon (ace) in the halophilic archaeon Haloferax volcanii|journal=Biochimica et Biophysica Acta|volume=1520|issue=2|pages=154–62|doi=10.1016/s0167-4781(01)00263-9|pmid=11513957|vauthors=Serrano JA, Bonete MJ}}</ref>。α/βドメインは明確な機能を持たず、アイソフォームAには存在しない<ref name="Howard">{{cite journal|date=March 2000|title=Crystal structure of Escherichia coli malate synthase G complexed with magnesium and glyoxylate at 2.0 A resolution: mechanistic implications|journal=Biochemistry|volume=39|issue=11|pages=3156–68|doi=10.1021/bi992519h|pmid=10715138|vauthors=Howard BR, Endrizzi JA, Remington SJ}}</ref>。 |
|||
[[File:Malate synthase active site.png|thumb|alt=Full-length|ピルビン酸とアセチルCoAが結合したリンゴ酸シンターゼの活性部位。アセチルCoAのJ字型配置が示されている。八面体型配位のMg<sup>2+</sup>カチオンが緑のドット、水分子が赤のドット、極性相互作用が黄色の破線で示されている。|299x299px]] |
|||
==機構== |
|||
リンゴ酸シンターゼの反応機構は、アセチルCoAとグリオキシル酸の縮合と中間体の[[加水分解]]である。まず、[[アスパラギン酸]]631番残基が触媒塩基として作用し、アセチルCoAのα炭素から[[水素|プロトン]]を引き抜いて、[[アルギニン]]338番残基によって安定化された[[エノラート]]を作り出す<ref name="Howard" />。この段階が反応の律速段階であると考えられている<ref name="Clark">{{cite journal|date=August 1988|title=Malate synthase: proof of a stepwise Claisen condensation using the double-isotope fractionation test|journal=Biochemistry|volume=27|issue=16|pages=5961–71|doi=10.1021/bi00416a020|pmid=2847778|vauthors=Clark JD, O'Keefe SJ, Knowles JR}}</ref>。その後、エノラートはグリオキシル酸の[[アルデヒド]]を攻撃する[[求核剤]]として作用し、アルギニン338番残基と[[マグネシウム]]カチオンによって安定化された酸素原子に負電荷が与えられる。このマリルCoA中間体はその後アシルCoA部分が加水分解され、[[カルボン酸]]アニオンに置き換えられる<ref name="Smith" />。そして、リンゴ酸とCoA分子が遊離する。 |
|||
== 機能 == |
|||
[[File:Glyoxylate cycle.png|thumb|298x298px|グリオキシル酸回路におけるリンゴ酸シンターゼの役割]] |
|||
[[クエン酸回路]]（TCA回路またはクレブス回路としても知られる）は、[[好気性生物]]がアセチルCoAの[[酸化]]によってエネルギーを産生する方法である。アセチルCoAは[[解糖系]]の産物である[[ピルビン酸]]に由来する。クエン酸回路はアセチルCoAを受容して代謝し、[[二酸化炭素]]を形成する。クエン酸回路と関連する[[グリオキシル酸回路]]と呼ばれる回路が多くの細菌と植物に存在する。植物では、グリオキシル酸回路は[[グリオキシソーム]]で行われる<ref name=":1">{{cite book|last1=Stryer|first1=Lubert|last2=Berg|first2=Jeremy M.|last3=Tymoczko|first3=John L.|name-list-format=vanc|title=Biochemistry|url=https://archive.org/details/biochemistry200100jere|url-access=registration|date=2003|publisher=Freeman|location=New York|edition=fifth|isbn=978-0-7167-4684-3|oclc=48055706}}</ref>。この回路では、{{仮リンク|イソクエン酸リアーゼ|en|Isocitrate lyase|label=}}とリンゴ酸シンターゼによって、クエン酸回路の[[脱炭酸]]の段階がスキップされる。グリオキシル酸回路では、リンゴ酸シンターゼはイソクエン酸リアーゼと協働的に機能してクエン酸回路の2つの酸化段階を迂回し、多くの微生物で[[酢酸]]または[[脂肪酸]]からの炭素の取り込みを可能にする<ref name="Kornberg">{{cite journal|date=December 1961|title=The metabolism of C2-compounds in micro-organisms. VIII. A dicarboxylic acid cycle as a route for the oxidation of glycollate by Escherichia coli|journal=The Biochemical Journal|volume=81|pages=503–13|doi=10.1042/bj0810503|pmid=14458448|pmc=1243371|vauthors=Kornberg HL, Sadler JR}}</ref>。これら2つの酵素は[[コハク酸]]とリンゴ酸を産生し、コハク酸は回路を出て[[糖]]の合成に利用される。この過程では、アセチルCoAと水が基質として利用され、クエン酸回路のように2分子の二酸化炭素が失われることはない。グリオキシル回路はリンゴ酸シンターゼとイソクエン酸リアーゼによって促進され、アセチルCoAまたは他の2炭素化合物で生存することが可能になる。例えば、単細胞の[[真核生物]]型[[藻類]]である[[ミドリムシ]]の1種''Euglena gracilis''は、[[エタノール]]を消費してアセチルCoAを、そしてその後[[炭水化物]]を形成する<ref name=":2">{{cite journal|date=2017|title=C2 metabolism in Euglena|journal=Advances in Experimental Medicine and Biology|volume=979|pages=39–45|doi=10.1007/978-3-319-54910-1_3|isbn=978-3-319-54908-8|pmid=28429316|vauthors=Nakazawa M}}</ref>。[[発芽]]中の植物では、グリオキシソーム内でグリオキシル酸回路によって貯蔵[[脂質]]から炭水化物への変換が行われる<ref name="Cioni">{{Cite journal|year=1981|title=Comparative biochemistry of the glyoxylate cycle|journal=Comparative Biochemistry and Physiology B|volume=70|pages=1–26|doi=10.1016/0305-0491(81)90118-8|vauthors=Cioni M, Pinzauti G, Vanni P}}</ref>。 |
|||
== 進化の歴史 == |
|||
リンゴ酸シンターゼは、[[トウモロコシ]]を含む一部の植物では、同一のサブユニット（約 60 kDa）からなる八量体として存在する。[[カンジダ]]ではホモ四量体、[[細菌|真正細菌]]ではホモ二量体である。線虫''[[Caenorhabditis elegans]]''では、リンゴ酸シンターゼはイソクエン酸リアーゼのC末端と融合しており、単一の二機能タンパク質として産生される。リンゴ酸シンターゼの正確な進化の歴史を決定するのに十分な配列情報は現在のところ得られていないが、植物、菌類、 ''C. elegans''の配列は異なっており、[[古細菌]]にホモログはみつかっていない<ref name=":3">{{cite journal|date=February 2002|title=Evolution of the enzymes of the citric acid cycle and the glyoxylate cycle of higher plants. A case study of endosymbiotic gene transfer|journal=European Journal of Biochemistry|volume=269|issue=3|pages=868–83|doi=10.1046/j.0014-2956.2001.02722.x|pmid=11846788|vauthors=Schnarrenberger C, Martin W}}</ref>。 |
|||
== ヒトでの活性 == |
|||
伝統的にリンゴ酸シンターゼは細菌のグリオキシル酸回路の一部として記載されており、ヒトのリンゴ酸シンターゼの活性はStrittmatterらの研究で初めて報告された<ref name="Strittmatter_2014">{{cite journal|date=May 2014|title=CLYBL is a polymorphic human enzyme with malate synthase and β-methylmalate synthase activity|journal=Human Molecular Genetics|volume=23|issue=9|pages=2313–23|doi=10.1093/hmg/ddt624|pmid=24334609|pmc=3976331|vauthors=Strittmatter L, Li Y, Nakatsuka NJ, Calvo SE, Grabarek Z, Mootha VK}}</ref>。その研究では、CLYBLと呼ばれるヒトの[[ミトコンドリア]]の酵素がリンゴ酸シンターゼ活性を持つことが明らかにされた。CLYBLは真核生物の複数の分類群に存在しており、細菌でも保存されている。CLYBLは、C末端ドメインの大部分が欠失している点で他のリンゴ酸シンターゼとは異なり、特異的活性や効率は低い<ref name="Strittmatter_2014" />。CLYBLはミトコンドリアの[[ビタミンB12|ビタミンB<sub>12</sub>]]関連経路の3つのメンバーである[[メチルマロニルCoAムターゼ|MUT]]、{{仮リンク|MMAA|en|MMAA|label=}}、{{仮リンク|MMAB|en|MMAB|label=}}と強く共発現しているため、ビタミンB<sub>12</sub>の代謝経路と関連づけられている<ref name="Strittmatter_2014" />。さらに、CLYBLタンパク質の喪失につながる機能喪失型[[多型]]は、ヒト[[血漿]]中のビタミンB<sub>12</sub>レベルの低下と関係している<ref name="Strittmatter_2014" />。CLYBLがビタミンB<sub>12</sub>の代謝へ関与する正確な機構はあまり解明されていないが、CLYBLはシトラマリルCoA（citramalyl-CoA）をピルビン酸とアセチルCoAに変換すると考えられている。この変換が行われない場合、シトラマリルCoAの前駆体であるイタコニルCoA（itaconyl-CoA）が細胞内に蓄積し、ビタミンB<sub>12</sub>の不活化へつながる。この不活化は[[メチオニン回路]]を阻害し、[[セリン]]、[[グリシン]]、1炭素化合物、[[葉酸]]の代謝が低下する<ref name=":4">{{cite journal|date=November 2017|title=The Human Knockout Gene CLYBL Connects Itaconate to Vitamin B12|journal=Cell|volume=171|issue=4|pages=771–782.e11|doi=10.1016/j.cell.2017.09.051|pmid=29056341|pmc=5827971|vauthors=Shen H, Campanello GC, Flicker D, Grabarek Z, Hu J, Luo C, Banerjee R, Mootha VK}}</ref><ref name=":5">{{cite journal|date=November 2017|title=A Missing Link to Vitamin B12 Metabolism|journal=Cell|volume=171|issue=4|pages=736–737|doi=10.1016/j.cell.2017.10.030|pmid=29100069|vauthors=Reid MA, Paik J, Locasale JW|doi-access=free}}</ref>。 |
|||
== 臨床的意義 == |
|||
グリオキシル酸回路は細菌や菌類で特に重要な役割を果たしており、リンゴ酸シンターゼ（やイソクエン酸リアーゼ）の機構の研究は、ヒト、動物、植物に対する[[病原性]]を理解するために重要である。リンゴ酸シンターゼの研究は、病原体の宿主内での生存を可能にする代謝経路へ光を当てるものであり、治療の可能性を明らかにするものでもある<ref name=":6">{{cite journal|date=October 2009|title=Major roles of isocitrate lyase and malate synthase in bacterial and fungal pathogenesis|journal=Microbiology|volume=155|issue=Pt 10|pages=3166–75|doi=10.1099/mic.0.030858-0|pmid=19684068|vauthors=Dunn MF, Ramírez-Trujillo JA, Hernández-Lucas I|doi-access=free}}</ref>。[[結核菌]]''Mycobacterium tuberculosis''、[[緑膿菌]]''Pseudomonas aeruginosa''、[[ブルセラ属]]の''Brucella melitensis''、[[大腸菌]]''Escherichia coli''などの病原体におけるリンゴ酸シンターゼの活性に対し、多くの研究が行われている。 |
|||
=== 結核菌 === |
|||
リンゴ酸シンターゼとグリオキシル酸回路は結核菌''M. tuberculosis''で特に重要であり、感染の長期持続を可能にする<ref name="Smith" />。結核菌の細胞が[[食作用]]によって取り込まれたとき、結核菌はグリオキシル酸回路の酵素をコードする遺伝子をアップレギュレーションする<ref name="Bentrop">{{cite journal|date=December 1999|title=Characterization of activity and expression of isocitrate lyase in Mycobacterium avium and Mycobacterium tuberculosis|journal=Journal of Bacteriology|volume=181|issue=23|pages=7161–7|pmid=10572116|pmc=103675|vauthors=Höner Zu Bentrup K, Miczak A, Swenson DL, Russell DG}}</ref>。結核菌はリンゴ酸シンターゼとの関係が最もよく研究されている病原体の1つであり、結核菌リンゴ酸シンターゼの構造と反応速度論に関して良く調べられている<ref name="Smith" /><ref name=":7">{{cite journal|date=August 2011|title=Kinetic and chemical mechanism of malate synthase from Mycobacterium tuberculosis|journal=Biochemistry|volume=50|issue=32|pages=6879–87|doi=10.1021/bi2007299|pmid=21728344|pmc=3153559|vauthors=Quartararo CE, Blanchard JS}}</ref>。リンゴ酸シンターゼはアセチルCoAの長鎖炭水化物への取り込みを可能にし、過酷な環境での生存に必要不可欠である。それだけでなく、リンゴ酸シンターゼはイソクエン酸リアーゼによって産生されるグリオキシル酸の蓄積による毒性を防止する<ref name=":8">{{cite journal|date=March 2017|title=Glyoxylate detoxification is an essential function of malate synthase required for carbon assimilation in Mycobacterium tuberculosis|journal=Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America|volume=114|issue=11|pages=E2225–E2232|doi=10.1073/pnas.1617655114|pmid=28265055|pmc=5358392|vauthors=Puckett S, Trujillo C, Wang Z, Eoh H, Ioerger TR, Krieger I, Sacchettini J, Schnappinger D, Rhee KY, Ehrt S}}</ref>。リンゴ酸シンターゼのダウンレギュレーションは、[[マクロファージ]]内における結核菌のストレス耐性、生存持続性、生育を低下させる<ref name=":9">{{cite journal|date=September 2017|title=Down-regulation of malate synthase in Mycobacterium tuberculosis H37Ra leads to reduced stress tolerance, persistence and survival in macrophages|journal=Tuberculosis|volume=106|pages=73–81|doi=10.1016/j.tube.2017.07.006|pmid=28802408|vauthors=Singh KS, Sharma R, Keshari D, Singh N, Singh SK}}</ref>。酵素は低分子によって阻害可能であり（ただし阻害は微小環境依存的である）、新たな化学療法としての可能性が示唆される<ref name=":10">{{cite journal|date=December 2013|title=A systems chemical biology study of malate synthase and isocitrate lyase inhibition in Mycobacterium tuberculosis during active and NRP growth|journal=Computational Biology and Chemistry|volume=47|pages=167–80|doi=10.1016/j.compbiolchem.2013.07.002|pmid=24121675|pmc=4010430|vauthors=May EE, Leitão A, Tropsha A, Oprea TI}}</ref>。 |
|||
=== 緑膿菌 === |
|||
緑膿菌''P. aeruginosa''はヒトで重症感染症を引き起こし、複数の治療法に対する耐性を持つため[[世界保健機関]]は重大な危機としている。グリオキシル酸回路は宿主内での緑膿菌の生育に必要不可欠である。2017年McVeyらは、緑膿菌のリンゴ酸シンターゼの立体構造を解明し、4つのドメインからなる単量体であり、他の病原体と高度に保存されていることを発見した。彼らはさらに計算科学的な解析を行い、薬剤標的部位として機能する可能性のある2つのポケットを同定した<ref name=":11">{{cite journal|date=October 2017|title=Structural and Functional Characterization of Malate Synthase G from Opportunistic Pathogen Pseudomonas aeruginosa|journal=Biochemistry|volume=56|issue=41|pages=5539–5549|doi=10.1021/acs.biochem.7b00852|pmid=28985053|vauthors=McVey AC, Medarametla P, Chee X, Bartlett S, Poso A, Spring DR, Rahman T, Welch M|doi-access=free}}</ref>。 |
|||
=== ブルセラ === |
|||
ブルセラ属の''B. melitensis''はヒツジとウシで発熱と[[精巣上体]]の[[炎症]]を引き起こし、[[低温殺菌]]を行っていない乳の消費によってヒトへも伝染する。リンゴ酸シンターゼはこの細菌の[[病原性因子]]である可能性が示されている。2016年Adiらは、リンゴ酸シンターゼの結晶構造解析を行って触媒ドメインを同定し、阻害剤の調査を行った。彼らは、細菌に対する薬剤として機能する経口毒性のない5つの阻害剤を同定した。それらは[[ブルセラ症]]に対する治療となる可能性がある<ref name=":12">{{cite journal|date=December 2016|title=Modeling, molecular docking, probing catalytic binding mode of acetyl-CoA malate synthase G in Brucella melitensis 16M|journal=Biochemistry and Biophysics Reports|volume=8|pages=192–199|doi=10.1016/j.bbrep.2016.08.020|pmid=28955956|pmc=5613768|vauthors=Adi PJ, Yellapu NK, Matcha B}}</ref>。 |
|||
=== 大腸菌 === |
|||
大腸菌''E. coli''では、グリオキシル酸回路に必要な酵素をコードする遺伝子は多シストロン性の''ace''[[オペロン]]から発現する。このオペロンには、リンゴ酸シンターゼ（''aceB''）、イソクエン酸リアーゼ（''aceA''）、イソクエン酸デヒドロゲナーゼキナーゼ/ホスファターゼ（''aceK''）をコードする遺伝子が含まれている<ref name=":13">{{cite journal|date=September 1989|title=Utilization of acetate in Escherichia coli: structural organization and differential expression of the ace operon|journal=Biochimie|volume=71|issue=9–10|pages=1043–9|doi=10.1016/0300-9084(89)90109-0|pmid=2512996|vauthors=Cortay JC, Bleicher F, Duclos B, Cenatiempo Y, Gautier C, Prato JL, Cozzone AJ}}</ref>。 |
|||
| ⚫ | |||
2018年初時点で、いくつかの構造が解明されている。[[蛋白質構造データバンク]]のコードは、[https://www.rcsb.org/structure/2GQ3 2GQ3]、[https://www.rcsb.org/structure/1D8C 1D8C]、[https://www.rcsb.org/structure/3OYX 3OYX]、[https://www.rcsb.org/structure/3PUG 3PUG]、[https://www.rcsb.org/structure/5TAO 5TAO]、[https://www.rcsb.org/structure/5H8M 5H8M]、[https://www.rcsb.org/structure/2JQX 2JQX]、[https://www.rcsb.org/structure/1P7T 1P7T]、[https://www.rcsb.org/structure/1Y8B 1Y8B]である<ref>{{Cite web|url=https://www.rcsb.org/|title=RCSB PDB: Homepage|last=Bank|first=RCSB Protein Data|website=www.rcsb.org|language=en|access-date=2018-03-05}}</ref>。 |
|||
== 出典 == |
|||
{{脚注ヘルプ}} |
|||
{{Reflist|32em}} |
|||
== 関連文献 == |
|||
* {{cite journal | author = DIXON GH, KORNBERG HL, LUND P | date = 1960 | title = Purification and properties of malate synthetase | journal = Biochim. Biophys. Acta. | volume = 41 | issue = 2 | pages = 217–33 | pmid = 13816984 | doi = 10.1016/0006-3002(60)90004-4 }} |
* {{cite journal | author = DIXON GH, KORNBERG HL, LUND P | date = 1960 | title = Purification and properties of malate synthetase | journal = Biochim. Biophys. Acta. | volume = 41 | issue = 2 | pages = 217–33 | pmid = 13816984 | doi = 10.1016/0006-3002(60)90004-4 }} |
||
2021年10月28日 (木) 05:31時点における最新版
リンゴ酸シンターゼ（Malate synthase、EC 2.3.3.9）は、以下の化学反応を触媒する酵素である。
- アセチルCoA + 水 + グリオキシル酸 (S)-リンゴ酸 + 補酵素A
従って、この酵素の基質はアセチルCoAと水とグリオキシル酸の3つ、生成物は(S)-リンゴ酸と補酵素Aの2つである。
この酵素は転移酵素、特にアシル基をアルキル基に変換するアシルトランスフェラーゼに分類される。系統名はアセチルCoA:グリオキシル酸 C-アセチルトランスフェラーゼ (チオエステル加水分解, カルボキシメチル形成) (acetyl-CoA:glyoxylate C-acetyltransferase (thioester-hydrolysing, carboxymethyl-forming)) である。他に、glyoxylate transacetase、glyoxylic transacetase、malate condensing enzyme、malate synthetase、malic synthetaseやmalic-condensing enzyme等とも呼ばれている。この酵素は、ピルビン酸、グリオキシル酸とジカルボン酸の代謝に関与している。
構造
[編集]
リンゴ酸シンターゼは、アイソフォームAとアイソフォームGの2つの大きなファミリーに分類される。アイソフォームGは細菌にのみ存在する約 80 kDaのタンパク質で、単量体または二量体として存在する[2][3]。アイソフォームAは各サブユニットが約 65 kDaのホモ多量体タンパク質で、真核生物でみられる[4]。この酵素は中心にTIMバレルがN末端のαヘリックスの留め金に挟まれて存在し、α/βドメインがTIMバレル配列から伸びている。C末端の5本のヘリックスからなるプラグで終わる。アセチルCoAとグルオキシル酸が結合する活性部位は、TIMバレルとC末端プラグの間に位置している[5]。結合に際し、アセチルCoAはアデニン環のN7とパンテテインテールのヒドロキシル基との間の分子内水素結合によって、結合ポケットへJ字型となって挿入される[5]。さらに、活性部位内ではマグネシウムイオンにグリオキシル酸、グルタミン酸427番残基、アスパラギン酸455番残基、2つの水分子が配位している[5]。結合の際にアセチルCoAと相互作用するアミノ酸は高度に保存されている[2]。各アイソフォームの分類内の配列同一性は高いが、分類間の配列同一性は約15%にまで低下する[6]。α/βドメインは明確な機能を持たず、アイソフォームAには存在しない[7]。
機構
[編集]リンゴ酸シンターゼの反応機構は、アセチルCoAとグリオキシル酸の縮合と中間体の加水分解である。まず、アスパラギン酸631番残基が触媒塩基として作用し、アセチルCoAのα炭素からプロトンを引き抜いて、アルギニン338番残基によって安定化されたエノラートを作り出す[7]。この段階が反応の律速段階であると考えられている[8]。その後、エノラートはグリオキシル酸のアルデヒドを攻撃する求核剤として作用し、アルギニン338番残基とマグネシウムカチオンによって安定化された酸素原子に負電荷が与えられる。このマリルCoA中間体はその後アシルCoA部分が加水分解され、カルボン酸アニオンに置き換えられる[2]。そして、リンゴ酸とCoA分子が遊離する。
機能
[編集]
クエン酸回路（TCA回路またはクレブス回路としても知られる）は、好気性生物がアセチルCoAの酸化によってエネルギーを産生する方法である。アセチルCoAは解糖系の産物であるピルビン酸に由来する。クエン酸回路はアセチルCoAを受容して代謝し、二酸化炭素を形成する。クエン酸回路と関連するグリオキシル酸回路と呼ばれる回路が多くの細菌と植物に存在する。植物では、グリオキシル酸回路はグリオキシソームで行われる[9]。この回路では、イソクエン酸リアーゼとリンゴ酸シンターゼによって、クエン酸回路の脱炭酸の段階がスキップされる。グリオキシル酸回路では、リンゴ酸シンターゼはイソクエン酸リアーゼと協働的に機能してクエン酸回路の2つの酸化段階を迂回し、多くの微生物で酢酸または脂肪酸からの炭素の取り込みを可能にする[10]。これら2つの酵素はコハク酸とリンゴ酸を産生し、コハク酸は回路を出て糖の合成に利用される。この過程では、アセチルCoAと水が基質として利用され、クエン酸回路のように2分子の二酸化炭素が失われることはない。グリオキシル回路はリンゴ酸シンターゼとイソクエン酸リアーゼによって促進され、アセチルCoAまたは他の2炭素化合物で生存することが可能になる。例えば、単細胞の真核生物型藻類であるミドリムシの1種Euglena gracilisは、エタノールを消費してアセチルCoAを、そしてその後炭水化物を形成する[11]。発芽中の植物では、グリオキシソーム内でグリオキシル酸回路によって貯蔵脂質から炭水化物への変換が行われる[12]。
進化の歴史
[編集]リンゴ酸シンターゼは、トウモロコシを含む一部の植物では、同一のサブユニット（約 60 kDa）からなる八量体として存在する。カンジダではホモ四量体、真正細菌ではホモ二量体である。線虫Caenorhabditis elegansでは、リンゴ酸シンターゼはイソクエン酸リアーゼのC末端と融合しており、単一の二機能タンパク質として産生される。リンゴ酸シンターゼの正確な進化の歴史を決定するのに十分な配列情報は現在のところ得られていないが、植物、菌類、 C. elegansの配列は異なっており、古細菌にホモログはみつかっていない[13]。
ヒトでの活性
[編集]伝統的にリンゴ酸シンターゼは細菌のグリオキシル酸回路の一部として記載されており、ヒトのリンゴ酸シンターゼの活性はStrittmatterらの研究で初めて報告された[14]。その研究では、CLYBLと呼ばれるヒトのミトコンドリアの酵素がリンゴ酸シンターゼ活性を持つことが明らかにされた。CLYBLは真核生物の複数の分類群に存在しており、細菌でも保存されている。CLYBLは、C末端ドメインの大部分が欠失している点で他のリンゴ酸シンターゼとは異なり、特異的活性や効率は低い[14]。CLYBLはミトコンドリアのビタミンB12関連経路の3つのメンバーであるMUT、MMAA、MMABと強く共発現しているため、ビタミンB12の代謝経路と関連づけられている[14]。さらに、CLYBLタンパク質の喪失につながる機能喪失型多型は、ヒト血漿中のビタミンB12レベルの低下と関係している[14]。CLYBLがビタミンB12の代謝へ関与する正確な機構はあまり解明されていないが、CLYBLはシトラマリルCoA（citramalyl-CoA）をピルビン酸とアセチルCoAに変換すると考えられている。この変換が行われない場合、シトラマリルCoAの前駆体であるイタコニルCoA（itaconyl-CoA）が細胞内に蓄積し、ビタミンB12の不活化へつながる。この不活化はメチオニン回路を阻害し、セリン、グリシン、1炭素化合物、葉酸の代謝が低下する[15][16]。
臨床的意義
[編集]グリオキシル酸回路は細菌や菌類で特に重要な役割を果たしており、リンゴ酸シンターゼ（やイソクエン酸リアーゼ）の機構の研究は、ヒト、動物、植物に対する病原性を理解するために重要である。リンゴ酸シンターゼの研究は、病原体の宿主内での生存を可能にする代謝経路へ光を当てるものであり、治療の可能性を明らかにするものでもある[17]。結核菌Mycobacterium tuberculosis、緑膿菌Pseudomonas aeruginosa、ブルセラ属のBrucella melitensis、大腸菌Escherichia coliなどの病原体におけるリンゴ酸シンターゼの活性に対し、多くの研究が行われている。
結核菌
[編集]リンゴ酸シンターゼとグリオキシル酸回路は結核菌M. tuberculosisで特に重要であり、感染の長期持続を可能にする[2]。結核菌の細胞が食作用によって取り込まれたとき、結核菌はグリオキシル酸回路の酵素をコードする遺伝子をアップレギュレーションする[18]。結核菌はリンゴ酸シンターゼとの関係が最もよく研究されている病原体の1つであり、結核菌リンゴ酸シンターゼの構造と反応速度論に関して良く調べられている[2][19]。リンゴ酸シンターゼはアセチルCoAの長鎖炭水化物への取り込みを可能にし、過酷な環境での生存に必要不可欠である。それだけでなく、リンゴ酸シンターゼはイソクエン酸リアーゼによって産生されるグリオキシル酸の蓄積による毒性を防止する[20]。リンゴ酸シンターゼのダウンレギュレーションは、マクロファージ内における結核菌のストレス耐性、生存持続性、生育を低下させる[21]。酵素は低分子によって阻害可能であり（ただし阻害は微小環境依存的である）、新たな化学療法としての可能性が示唆される[22]。
緑膿菌
[編集]緑膿菌P. aeruginosaはヒトで重症感染症を引き起こし、複数の治療法に対する耐性を持つため世界保健機関は重大な危機としている。グリオキシル酸回路は宿主内での緑膿菌の生育に必要不可欠である。2017年McVeyらは、緑膿菌のリンゴ酸シンターゼの立体構造を解明し、4つのドメインからなる単量体であり、他の病原体と高度に保存されていることを発見した。彼らはさらに計算科学的な解析を行い、薬剤標的部位として機能する可能性のある2つのポケットを同定した[23]。
ブルセラ
[編集]ブルセラ属のB. melitensisはヒツジとウシで発熱と精巣上体の炎症を引き起こし、低温殺菌を行っていない乳の消費によってヒトへも伝染する。リンゴ酸シンターゼはこの細菌の病原性因子である可能性が示されている。2016年Adiらは、リンゴ酸シンターゼの結晶構造解析を行って触媒ドメインを同定し、阻害剤の調査を行った。彼らは、細菌に対する薬剤として機能する経口毒性のない5つの阻害剤を同定した。それらはブルセラ症に対する治療となる可能性がある[24]。
大腸菌
[編集]大腸菌E. coliでは、グリオキシル酸回路に必要な酵素をコードする遺伝子は多シストロン性のaceオペロンから発現する。このオペロンには、リンゴ酸シンターゼ（aceB）、イソクエン酸リアーゼ（aceA）、イソクエン酸デヒドロゲナーゼキナーゼ/ホスファターゼ（aceK）をコードする遺伝子が含まれている[25]。
構造
[編集]2018年初時点で、いくつかの構造が解明されている。蛋白質構造データバンクのコードは、2GQ3、1D8C、3OYX、3PUG、5TAO、5H8M、2JQX、1P7T、1Y8Bである[26]。
出典
[編集]- ^ PDB: 5T8G; “Mycobacterium tuberculosis Malate Synthase Structures with Fragments Reveal a Portal for Substrate/Product Exchange”. The Journal of Biological Chemistry 291 (53): 27421–32. (December 2016). doi:10.1074/jbc.m116.750877. PMC 5207166. PMID 27738104.
- ^ a b c d e “Biochemical and structural studies of malate synthase from Mycobacterium tuberculosis”. The Journal of Biological Chemistry 278 (3): 1735–43. (January 2003). doi:10.1074/jbc.M209248200. PMID 12393860.
- ^ Kumar, Ranjeet; Bhakuni, Vinod (2010-10). “A functionally active dimer of mycobacterium tuberculosis malate synthase G”. European biophysics journal: EBJ 39 (11): 1557–1562. doi:10.1007/s00249-010-0598-7. ISSN 1432-1017. PMID 20306314.
- ^ “Large-scale purification and some properties of malate synthase from baker's yeast”. European Journal of Biochemistry 114 (2): 255–62. (February 1981). doi:10.1111/j.1432-1033.1981.tb05144.x. PMID 7011808.
- ^ a b c “Structure of the Escherichia coli malate synthase G:pyruvate:acetyl-coenzyme A abortive ternary complex at 1.95 A resolution”. Protein Science 12 (9): 1822–32. (September 2003). doi:10.1110/ps.03174303. PMC 2323980. PMID 12930982.
- ^ “Sequencing, phylogenetic and transcriptional analysis of the glyoxylate bypass operon (ace) in the halophilic archaeon Haloferax volcanii”. Biochimica et Biophysica Acta 1520 (2): 154–62. (August 2001). doi:10.1016/s0167-4781(01)00263-9. PMID 11513957.
- ^ a b “Crystal structure of Escherichia coli malate synthase G complexed with magnesium and glyoxylate at 2.0 A resolution: mechanistic implications”. Biochemistry 39 (11): 3156–68. (March 2000). doi:10.1021/bi992519h. PMID 10715138.
- ^ “Malate synthase: proof of a stepwise Claisen condensation using the double-isotope fractionation test”. Biochemistry 27 (16): 5961–71. (August 1988). doi:10.1021/bi00416a020. PMID 2847778.
- ^ Stryer, Lubert; Berg, Jeremy M.; Tymoczko, John L. (2003). Biochemistry (fifth ed.). New York: Freeman. ISBN 978-0-7167-4684-3. OCLC 48055706
- ^ “The metabolism of C2-compounds in micro-organisms. VIII. A dicarboxylic acid cycle as a route for the oxidation of glycollate by Escherichia coli”. The Biochemical Journal 81: 503–13. (December 1961). doi:10.1042/bj0810503. PMC 1243371. PMID 14458448.
- ^ “C2 metabolism in Euglena”. Advances in Experimental Medicine and Biology 979: 39–45. (2017). doi:10.1007/978-3-319-54910-1_3. ISBN 978-3-319-54908-8. PMID 28429316.
- ^ “Comparative biochemistry of the glyoxylate cycle”. Comparative Biochemistry and Physiology B 70: 1–26. (1981). doi:10.1016/0305-0491(81)90118-8.
- ^ “Evolution of the enzymes of the citric acid cycle and the glyoxylate cycle of higher plants. A case study of endosymbiotic gene transfer”. European Journal of Biochemistry 269 (3): 868–83. (February 2002). doi:10.1046/j.0014-2956.2001.02722.x. PMID 11846788.
- ^ a b c d “CLYBL is a polymorphic human enzyme with malate synthase and β-methylmalate synthase activity”. Human Molecular Genetics 23 (9): 2313–23. (May 2014). doi:10.1093/hmg/ddt624. PMC 3976331. PMID 24334609.
- ^ “The Human Knockout Gene CLYBL Connects Itaconate to Vitamin B12”. Cell 171 (4): 771–782.e11. (November 2017). doi:10.1016/j.cell.2017.09.051. PMC 5827971. PMID 29056341.
- ^ “A Missing Link to Vitamin B12 Metabolism”. Cell 171 (4): 736–737. (November 2017). doi:10.1016/j.cell.2017.10.030. PMID 29100069.
- ^ “Major roles of isocitrate lyase and malate synthase in bacterial and fungal pathogenesis”. Microbiology 155 (Pt 10): 3166–75. (October 2009). doi:10.1099/mic.0.030858-0. PMID 19684068.
- ^ “Characterization of activity and expression of isocitrate lyase in Mycobacterium avium and Mycobacterium tuberculosis”. Journal of Bacteriology 181 (23): 7161–7. (December 1999). PMC 103675. PMID 10572116.
- ^ “Kinetic and chemical mechanism of malate synthase from Mycobacterium tuberculosis”. Biochemistry 50 (32): 6879–87. (August 2011). doi:10.1021/bi2007299. PMC 3153559. PMID 21728344.
- ^ “Glyoxylate detoxification is an essential function of malate synthase required for carbon assimilation in Mycobacterium tuberculosis”. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 114 (11): E2225–E2232. (March 2017). doi:10.1073/pnas.1617655114. PMC 5358392. PMID 28265055.
- ^ “Down-regulation of malate synthase in Mycobacterium tuberculosis H37Ra leads to reduced stress tolerance, persistence and survival in macrophages”. Tuberculosis 106: 73–81. (September 2017). doi:10.1016/j.tube.2017.07.006. PMID 28802408.
- ^ “A systems chemical biology study of malate synthase and isocitrate lyase inhibition in Mycobacterium tuberculosis during active and NRP growth”. Computational Biology and Chemistry 47: 167–80. (December 2013). doi:10.1016/j.compbiolchem.2013.07.002. PMC 4010430. PMID 24121675.
- ^ “Structural and Functional Characterization of Malate Synthase G from Opportunistic Pathogen Pseudomonas aeruginosa”. Biochemistry 56 (41): 5539–5549. (October 2017). doi:10.1021/acs.biochem.7b00852. PMID 28985053.
- ^ “Modeling, molecular docking, probing catalytic binding mode of acetyl-CoA malate synthase G in Brucella melitensis 16M”. Biochemistry and Biophysics Reports 8: 192–199. (December 2016). doi:10.1016/j.bbrep.2016.08.020. PMC 5613768. PMID 28955956.
- ^ “Utilization of acetate in Escherichia coli: structural organization and differential expression of the ace operon”. Biochimie 71 (9–10): 1043–9. (September 1989). doi:10.1016/0300-9084(89)90109-0. PMID 2512996.
- ^ Bank, RCSB Protein Data. “RCSB PDB: Homepage” (英語). www.rcsb.org. 2018年3月5日閲覧。
関連文献
[編集]- DIXON GH, KORNBERG HL, LUND P (1960). “Purification and properties of malate synthetase”. Biochim. Biophys. Acta. 41 (2): 217–33. doi:10.1016/0006-3002(60)90004-4. PMID 13816984.