3α-ヒドロキシステロイド脱水素酵素

哺乳類のヒドロキシステロイド脱水素酵素（HSD）は、ステロイドホルモンの生合成および不活化において中核的な役割を担う。標的組織において、HSDは強力なステロイドホルモンと、それに対応する不活性代謝物との相互変換を行い、ステロイドホルモン受容体の占有率を調節する。HSDが触媒する反応は位置特異性および立体特異性を有し、通常、ステロイド骨格または側鎖上のカルボニル基とヒドロキシ基の相互変換を伴う。cDNAクローニングの結果、HSDは2つの異なるタンパク質系統に属することが示されており、短鎖脱水素酵素／還元酵素（SDR）ファミリーと、アルド・ケト還元酵素（AKR）スーパーファミリーである。哺乳類の3α-ヒドロキシステロイド脱水素酵素（3α-HSD、またはアルド・ケト還元酵素ファミリー1メンバーC4）はAKRスーパーファミリーに属する。これらは5α還元酵素および5β還元酵素と協調して作用し、3α/5α-および3α/5β-テトラヒドロステロイドを生成する。これらの反応は無害ではない。ステロイド標的組織において、3α-HSDは分子スイッチとして機能し、ステロイドホルモン作用を制御する。

特性

哺乳類の3α-HSDのうち最も詳細に解析されているのは、ラット肝由来酵素である。AKRスーパーファミリーに属する他のHSDと高い配列同一性（>60%）を有することから、これらHSDの構造解析における良好な構造テンプレートとなる。ラット肝3α-HSDは当初、テトラヒドログルココルチコイドを産生する能力に基づいて特徴付けられた。その後、アンドロゲン、プロゲスチン、およびグルココルチコイドの不活化において重要な役割を果たすことが明らかとなった。3α-HSDはまた、ラット肝における主要な胆汁酸結合タンパク質でもあり、肝細胞の類洞側から毛細胆管側への胆汁酸の方向性輸送に関与し、正常な肝機能の維持に必須である可能性がある。さらに、3α-HSDは多環芳香族炭化水素（PAH）のtrans-ジヒドロジオールをo-キノンへ酸化することにより、PAHの既知の代謝物の中で最も変異原性が高いジオールエポキシドの生成を抑制する。これらのo-キノンはレドックスサイクリングを受け、活性酸素種およびo-セミキノンアニオンラジカルを産生する。このサイクリングにより、活性酸素種が反復して生成される。このフリーラジカル増幅機構は、PAHの発がん性に寄与する可能性がある。

構造

アルドース還元酵素と同様に、ラット肝3α-HSDはトリオースリン酸イソメラーゼ（TIM）バレルモチーフを採用しており、αヘリックスとβストランドが交互に8回（α/β）配置され、構造中心部のβストランドによりバレルを形成する。この構造は、バレルのC末端側に存在する2つの大きなループによって特徴付けられる。ADRのNADPH二元複合体構造に存在するNADPHの座標を用いて、補因子を本構造にモデル化した。このモデルでは、ニコチンアミド環のC4位が4つの親水性残基（Asp50、Tyr55、Lys84、His117）に近接しており、これらが触媒四元（catalytic tetrad）を構成する可能性がある。これらの残基はAKRスーパーファミリーに属するHSDにおいて不変である。本構造に基づき、Tyr55が一般酸として関与し、Lys84との水素結合により有効pKaが低下し、さらにLys84がAsp50と塩結合しているという触媒機構が提唱された。

触媒機構

3α-HSDは非金属酵素であり、9個の遊離スルフヒドリル基の存在により金属感受性を示す。本機構では、ピリジンヌクレオチド補因子のニコチンアミド環C4位から、ステロイド基質のC3位ケトンへの直接的なヒドリド移動が必要である。反応は、完全または部分的なカルボニウムイオンの形成を経て進行する可能性がある。受容体カルボニルを分極させる金属イオンが存在しないため、反応促進のために一般酸が想定される。酸化方向では、同一のアミノ酸が一般塩基として機能し得る。立体特異的に標識したNADHを用いた検討により、4-pro-R-水素がピリジンヌクレオチド補因子のA面からステロイドのβ面へ移動し、受容体カルボニルを3α-アキシアルアルコールの配座へと誘導することが示された。このヒドリド移動の立体化学はAKRスーパーファミリーのメンバーで保存されている可能性があり、ヒト胎盤アルドース還元酵素およびマウス肝17β-HSD（A面特異的）でも共有されている。

図1．3α-ヒドロキシステロイド脱水素酵素の触媒機構。（Penning T M.; et al. 1996）

生理学的機能

前立腺において、3α-HSDはアンドロゲン受容体に結合可能なアンドロゲン量を調節する。強力なアンドロゲンである5α-ジヒドロテストステロン（5α-DHT）と3α-アンドロスタンジオールとの相互変換を触媒し、前立腺の正常および異常増殖には高濃度の5α-DHTが必要である。前立腺3α-HSDの阻害剤は、5α-DHT濃度を低下させる機会を提供し得る。脳においては、3α-HSDがGABAa受容体に結合可能なアロステリック作動薬の量を調節する。このようにして、3α-HSDはCl-コンダクタンスを制御し、3α-ヒドロキシステロイドの抗不安作用および麻酔作用を調節し得る。したがって3α-HSDは、核内受容体スーパーファミリーの一員であるか、膜結合型のイオンゲートチャネルであるかを問わず、ステロイドホルモン受容体に結合するホルモン量を調節する。ゆえに、3α-HSDは潜在的な創薬標的である。

臨床的意義

フルボキサミン、SSRIであるフルオキセチン、セルトラリン、パロキセチン、SNRIであるベンラファキシン、ならびにミルタザピンを含む各種抗うつ薬が、特定の3α-HSD酵素を活性化し、その結果として5α-ジヒドロプロゲステロンからアロプレグナノロンへの変換を選択的に促進することが見出されている。この作用は気分障害に対する有効性に関与すると考えられており、これらは選択的脳内ステロイド産生刺激薬（SBSS）と称されるに至っている。

参考文献