O-GlcNAc転移酵素
O-GlcNAc転移酵素（O-GlcNAcトランスフェラーゼ、英: O-GlcNAc transferase、OGT）は、ヒトではOGT遺伝子にコードされる酵素（EC 2.4.1.255）である[5][6]。OGTはタンパク質に対するO-GlcNAc化翻訳後修飾を触媒する[5][7][8][9][10][11]。
シノニム
[編集]他の名称としては次のようなものがある。
- Protein O-GlcNAc transferase
- OGTase
- O-linked N-acetylglucosaminyltransferase
- Uridine diphospho-N-acetylglucosamine:polypeptide β-N-acetylglucosaminyltransferase
系統名: UDP-N-α-acetyl-d-glucosamine:[protein]-3-O-N-acetyl-β-d-glucosaminyl transferase
機能
[編集]| O-GlcNAc transferase | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 識別子 | |||||||||
| EC番号 | 2.4.1.255 | ||||||||
| データベース | |||||||||
| IntEnz | IntEnz view | ||||||||
| BRENDA | BRENDA entry | ||||||||
| ExPASy | NiceZyme view | ||||||||
| KEGG | KEGG entry | ||||||||
| MetaCyc | metabolic pathway | ||||||||
| PRIAM | profile | ||||||||
| PDB構造 | RCSB PDB PDBj PDBe PDBsum | ||||||||
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グリコシルトランスフェラーゼ
[編集]OGTは、核や細胞質のタンパク質のセリンまたはスレオニン残基に対してO-グリコシド結合、そしてシステイン残基に対してS-グリコシド結合[12][13]によってN-アセチルグルコサミン（GlcNAc）を1つ付加する反応を触媒する。リン酸化とO-GlcNAc化はともにセリンまたはスレオニン残基に対して作用するため、2つの過程は修飾部位をめぐって競合したり、または立体障害や静電的効果によって近接する部位の基質特異性を変化させたりする可能性がある。OGT遺伝子には、細胞質型とミトコンドリア型のアイソフォームをコードする2種類の転写産物バリアントが知られている。OGTは、ヒストンH2B[14]、AKT1[15]、PFKL[16]、KMT2E/MLL5[16]、MAPT/TAU[17]、HCFC1[18]、SIN3A[19]など多くのタンパク質をグリコシル化することが知られている。
OGTは体内の多くの生物学的機能に関与している。OGTは筋細胞や脂肪細胞のインスリン抵抗性に関与しており、AKT1のT308のリン酸化を阻害し、IRS1のS307やS632/635のリン酸化率を高め、インスリンシグナルを減少させ、インスリンシグナル伝達の構成要素をグリコシル化する[20]。OGTは胚発生にも重要であり、胚性幹細胞の生存にはOGTが必要である[21]。OGTは転写因子やRNAポリメラーゼIIも修飾するが、その特異的機能は大部分が不明である[22]。
タンパク質の切断の誘導
[編集]OGTのHCFC1への結合は、HCFC1の切断を誘導する。HCFC1の切断にはOGTとの相互作用が必要であり、OGTの核内での安定化にはHCFC1が必要である。OGTはHCFC1との相互作用とO-GlcNAc化を介して切断を調節しているが、相互作用の正確な機構は不明である[23]。
構造
[編集]ヒトのOGTは1046アミノ酸残基から構成され[16]、当初は三量体を形成すると考えられていたが、その後の解析では二量体であることが支持されている[24]。約110 kDaのサブユニットには13個のテトラトリコペプチドリピート（TPR）が含まれ、13番目のリピートは切り詰められている。サブユニットは6番目と7番目のリピートを介して二量体化する。OGTは膵臓で高度に発現しており、心臓、脳、骨格筋、胎盤でも発現している。肺や肝臓にも微量存在する[5]。活性部位は508番残基と推定されている[16]。
OGTの結晶構造に関しては、UDPとの二者複合体、そしてUDP、ペプチド基質との三者複合体構造が明らかにされている[11]。OGTの触媒領域には、N末端ドメイン（N-Cat）、C末端ドメイン（C-Cat）、そしてintervening domain（Int-D）という3つのドメインが含まれている。触媒領域とTPRはtransitional helix（H3）によって連結されており、 このヘリックスは触媒領域の上面に沿ってC-CatからN-Catへらせんを形成している[11]。2021年には、cryo-EMによる5 Å分解能での解析により触媒領域と完全なTPR領域との関係が明らかにされ、二量体の配置が確認された[24]。これらの構造は触媒反応が定序逐次Bi-Bi機構によって生じることを支持しており、基質ペプチド飽和条件下でのUDPによるUDP-GlcNAcに対する競合阻害パターンと一致する[11]。
触媒機構
[編集]OGTによる触媒の分子機構として提唱されている機構は、UDP-GlcNAcが結合し、そして反応性のセリンまたはスレオニン残基を有するペプチド鎖が結合することで反応が進行するという定序逐次Bi-Bi機構であり、ペプチド飽和条件でのUDPによる阻害パターンからもこの機構が支持される[11]。
化学反応は次のように表される。
- UDP-N-acetyl-D-glucosamine + [protein]-L-serine → UDP + [protein]-3-O-(N-acetyl-D-glucosaminyl)-L-serine
- UDP-N-acetyl-D-glucosamine + [protein]-L-threonine → UDP + [protein]-3-O-(N-acetyl-D-glucosaminyl)-L-threonine
まず、セリンのヒドロキシル基は触媒塩基であるヒスチジン498番によって脱プロトン化される。リジン842番もUDP部分を安定介する役割を果たす。その後、脱プロトン化された酸素原子がグルコサミンとUDPの間の糖-リン酸結合を攻撃する。その結果、UDP-GlcNAcはGlcNAc-ペプチドとUDPへ開裂する。そして、リン酸基とヒスチジン498番でプロトン転移が生じる[11]。
阻害剤
[編集]OGTの酵素活性の阻害剤は多く報告されている。OGTの阻害はO-GlcNAcの全般的ダウンレギュレーションを引き起こす。細胞はOGTの阻害に応答して、OGTのアップレギュレーションとO-GlcNAcアーゼ（OGA）のダウンレギュレーションを引き起こすようである[25]。
5S-GlcNAc
[編集]Ac45S-GlcNAcは、細胞内でOGTの基質アナログ阻害剤であるUDP-5S-GlcNAcへ変換される。UDP-5S-GlcNAcはピラノース環の酸素が硫黄で置換されているため、OGTはUDP-5S-GlcNAcを糖供与体として効率的に利用することはできない[25]。他のグリコシルトランスフェラーゼもUDP-GlcNAcを糖供与体として利用するため、UDP-5S-GlcNAcは細胞表面のグリコシル化にも一部、非特異的影響を及ぼす[26]。
OSMI
[編集]OSMI-1は蛍光偏光を用いたハイスループットスクリーニングによって同定された阻害剤である[26]。その後の最適化によりOSMI-2、OSMI-3、OSMI-4が開発され、これらは低nMの親和性でOGTに結合する。X線結晶構造解析により、OSMI化合物のキノリノン-6-スルホンアミド骨格がウリジンを模倣していることが示されている。OSMI-2、OSMI-3、OSMI-4は負に帯電したカルボキシル基を持ち、エステル化によって細胞透過性となる[27]。
調節
[編集]
OGTによるO-GlcNAc化とプロテインキナーゼによるリン酸化は、セリンまたはスレオニンのヒドロキシル基をめぐって動的に競合する。両者が同一の部位に対して作用する場合、OGTはグリコシル化を行うことでキナーゼによるリン酸化に競合する。また近接した部位に対して作用する場合には両者が相互に影響を及ぼすことがあり、OGTによるp53のO-GlcNAc化はリン酸化を低下させ、p53を分解から保護する[28]。
タンパク質のO-GlcNAc修飾は、ヘキソサミン生合成経路を介したグルコースフラックスによって駆動される。OGTはセリンやスレオニン残基へのO-GlcNAc基の付加を触媒し、一方OGAは糖の除去を触媒する[29][30]。こうしたOGTとOGAによる調節は、転写、シグナル伝達、プロテアソーム分解など複数の細胞過程に重要である。また、OGTとプロテインキナーゼの間にはリン酸基を付加するかGlcNAcを付加するかの競合的調節が存在し、その結果タンパク質の機能が変化する場合がある[16][29]。OGTはO-GlcNAc化を通じてPFKLの活性を阻害し、この過程は解糖系の調節機構の一部をなしている。ステロイドホルモンシグナルにおいて、O-GlcNAcは転写の負の調節因子として作用する[20]。またOGTは、5-メチルシトシンを5-ヒドロキシメチルシトシンへ変換し転写を調節する酵素であるTET2と直接相互作用する[31]。
OGTによるO-GlcNAcレベルの増大は、アルツハイマー病患者に対して治療効果を有する可能性がある。アルツハイマー病患者では脳内でのグルコース代謝が損なわれており、その結果タウの高リン酸化やO-GlcNAc化の低下が引き起こされていることが研究から示唆されている。脳内でのタウのO-GlcNAc化の再活性化は、プロテインホスファターゼ処理とともにこうした病理過程を抑制し、脳内のグルコース代謝を改善すると考えられている[17]。
出典
[編集]- ^ a b c GRCh38: Ensembl release 89: ENSG00000147162 - Ensembl, May 2017
- ^ a b c GRCm38: Ensembl release 89: ENSMUSG00000034160 - Ensembl, May 2017
- ^ Human PubMed Reference:
- ^ Mouse PubMed Reference:
- ^ a b c “O-Linked GlcNAc transferase is a conserved nucleocytoplasmic protein containing tetratricopeptide repeats”. The Journal of Biological Chemistry 272 (14): 9316–24. (April 1997). doi:10.1074/jbc.272.14.9316. PMID 9083068.
- ^ “Entrez Gene: OGT O-linked N-acetylglucosamine (GlcNAc) transferase (UDP-N-acetylglucosamine:polypeptide-N-acetylglucosaminyl transferase)”. 2024年3月2日閲覧。
- ^ “Molecular characterization of nucleocytosolic O-GlcNAc transferases of Giardia lamblia and Cryptosporidium parvum”. Glycobiology 19 (4): 331–6. (April 2009). doi:10.1093/glycob/cwn107. PMC 2733775. PMID 18948359.
- ^ “Structural insights into mechanism and specificity of O-GlcNAc transferase”. The EMBO Journal 27 (20): 2780–8. (October 2008). doi:10.1038/emboj.2008.186. PMC 2556091. PMID 18818698.
- ^ “Structural insights into the mechanism and inhibition of eukaryotic O-GlcNAc hydrolysis”. The EMBO Journal 25 (7): 1569–78. (April 2006). doi:10.1038/sj.emboj.7601026. PMC 1440316. PMID 16541109.
- ^ “Glycosylation of nuclear and cytoplasmic proteins. Purification and characterization of a uridine diphospho-N-acetylglucosamine:polypeptide beta-N-acetylglucosaminyltransferase”. The Journal of Biological Chemistry 267 (13): 9005–13. (May 1992). doi:10.1016/S0021-9258(19)50380-5. PMID 1533623.
- ^ a b c d e f g “Structure of human O-GlcNAc transferase and its complex with a peptide substrate”. Nature 469 (7331): 564–7. (January 2011). Bibcode: 2011Natur.469..564L. doi:10.1038/nature09638. PMC 3064491. PMID 21240259.
- ^ “Cysteine S-linked N-acetylglucosamine (S-GlcNAcylation), A New Post-translational Modification in Mammals”. Molecular & Cellular Proteomics 15 (11): 3405–3411. (November 2016). doi:10.1074/mcp.M116.061549. PMC 5098038. PMID 27558639.
- ^ “Genetic recoding to dissect the roles of site-specific protein O-GlcNAcylation”. Nature Structural & Molecular Biology 26 (11): 1071–1077. (November 2019). doi:10.1038/s41594-019-0325-8. PMC 6858883. PMID 31695185.
- ^ “GlcNAcylation of histone H2B facilitates its monoubiquitination”. Nature 480 (7378): 557–60. (November 2011). Bibcode: 2011Natur.480..557F. doi:10.1038/nature10656. PMC 7289526. PMID 22121020.
- ^ “Regulation of insulin receptor substrate 1 (IRS-1)/AKT kinase-mediated insulin signaling by O-Linked beta-N-acetylglucosamine in 3T3-L1 adipocytes”. The Journal of Biological Chemistry 285 (8): 5204–11. (February 2010). doi:10.1074/jbc.M109.077818. PMC 2820748. PMID 20018868.
- ^ a b c d e “O15294 (OGT1_HUMAN) Reviewed, UniProtKB/Swiss-Prot”. UniProt. 2024年3月2日閲覧。
- ^ a b “Reduced O-GlcNAcylation links lower brain glucose metabolism and tau pathology in Alzheimer's disease”. Brain 132 (Pt 7): 1820–32. (July 2009). doi:10.1093/brain/awp099. PMC 2702834. PMID 19451179.
- ^ “Human Sin3 deacetylase and trithorax-related Set1/Ash2 histone H3-K4 methyltransferase are tethered together selectively by the cell-proliferation factor HCF-1”. Genes & Development 17 (7): 896–911. (April 2003). doi:10.1101/gad.252103. PMC 196026. PMID 12670868.
- ^ “Recruitment of O-GlcNAc transferase to promoters by corepressor mSin3A: coupling protein O-GlcNAcylation to transcriptional repression”. Cell 110 (1): 69–80. (July 2002). doi:10.1016/S0092-8674(02)00810-3. PMID 12150998.
- ^ a b “Phosphoinositide signalling links O-GlcNAc transferase to insulin resistance”. Nature 451 (7181): 964–9. (February 2008). Bibcode: 2008Natur.451..964Y. doi:10.1038/nature06668. PMID 18288188.
- ^ “The O-GlcNAc transferase gene resides on the X chromosome and is essential for embryonic stem cell viability and mouse ontogeny”. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 97 (11): 5735–9. (May 2000). Bibcode: 2000PNAS...97.5735S. doi:10.1073/pnas.100471497. PMC 18502. PMID 10801981.
- ^ “TET2 promotes histone O-GlcNAcylation during gene transcription”. Nature 493 (7433): 561–4. (January 2013). Bibcode: 2013Natur.493..561C. doi:10.1038/nature11742. PMC 3684361. PMID 23222540.
- ^ “Crosstalk between O-GlcNAcylation and proteolytic cleavage regulates the host cell factor-1 maturation pathway”. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 108 (7): 2747–52. (February 2011). Bibcode: 2011PNAS..108.2747D. doi:10.1073/pnas.1013822108. PMC 3041071. PMID 21285374.
- ^ a b Meek, Richard W.; Blaza, James N.; Busmann, Jil A.; Alteen, Matthew G.; Vocadlo, David J.; Davies, Gideon J. (11 November 2021). “Cryo-EM structure provides insights into the dimer arrangement of the O-linked β-N-acetylglucosamine transferase OGT” (英語). Nature Communications 12 (1): 6508. Bibcode: 2021NatCo..12.6508M. doi:10.1038/s41467-021-26796-6. ISSN 2041-1723. PMC 8586251. PMID 34764280.
- ^ a b “Hijacking a biosynthetic pathway yields a glycosyltransferase inhibitor within cells”. Nature Chemical Biology 7 (3): 174–81. (March 2011). doi:10.1038/nchembio.520. PMC 3202988. PMID 21258330.
- ^ a b “A small molecule that inhibits OGT activity in cells”. ACS Chemical Biology 10 (6): 1392–7. (June 2015). doi:10.1021/acschembio.5b00004. PMC 4475500. PMID 25751766.
- ^ “Structure-Based Evolution of Low Nanomolar O-GlcNAc Transferase Inhibitors”. Journal of the American Chemical Society 140 (42): 13542–13545. (October 2018). doi:10.1021/jacs.8b07328. PMC 6261342. PMID 30285435.
- ^ a b “Cycling of O-linked beta-N-acetylglucosamine on nucleocytoplasmic proteins”. Nature 446 (7139): 1017–22. (April 2007). Bibcode: 2007Natur.446.1017H. doi:10.1038/nature05815. PMID 17460662.
- ^ a b “O-linkage of N-acetylglucosamine to Sp1 activation domain inhibits its transcriptional capability”. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 98 (12): 6611–6. (June 2001). Bibcode: 2001PNAS...98.6611Y. doi:10.1073/pnas.111099998. PMC 34401. PMID 11371615.
- ^ “The hexosamine signaling pathway: deciphering the "O-GlcNAc code"”. Science's STKE 2005 (312): re13. (November 2005). doi:10.1126/stke.3122005re13. PMID 16317114.
- ^ “Conversion of 5-methylcytosine to 5-hydroxymethylcytosine in mammalian DNA by MLL partner TET1”. Science 324 (5929): 930–5. (May 2009). Bibcode: 2009Sci...324..930T. doi:10.1126/science.1170116. PMC 2715015. PMID 19372391.
関連項目
[編集]外部リンク
[編集]- The O-GlcNAc Database[1][2] - A curated database for protein O-GlcNAcylation and referencing more than 14 000 protein entries and 10 000 O-GlcNAc sites.
- Protein O-GlcNAc transferase - MeSH・アメリカ国立医学図書館・生命科学用語シソーラス
- ^ “The human O-GlcNAcome database and meta-analysis”. Scientific Data 8 (1): 25. (January 2021). Bibcode: 2021NatSD...8...25W. doi:10.1038/s41597-021-00810-4. PMC 7820439. PMID 33479245.
- ^ “Automatization and self-maintenance of the O-GlcNAcome catalog: a smart scientific database”. Database (Oxford) 2021: 1. (July 2021). doi:10.1093/database/baab039. PMC 8288053. PMID 34279596.