ACS3

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酢酸は自然界に極めて豊富に存在する短鎖脂肪酸であり、真核生物および原核生物における多くの代謝過程で利用されている。原核細胞では、この短鎖脂肪酸をアセチル補酵素A（Acetyl-CoA：Ac-CoA）へ変換するために、3種類の異なる代謝経路が進化してきた。これらの経路により、原核生物は酢酸を炭素源およびエネルギー源として利用できる。そのうちの1つは、酢酸キナーゼ（AckA、EC 2.7.2.1）／ホスホトランスアセチラーゼ（Pta、EC 2.3.1.8）により、酢酸リン酸（Acetyl phosphate：Ac-P）を介して酢酸を活性化し、Ac-CoAへ変換する経路である。第2の経路はアセチル-CoAシンターゼ（ADP生成型）から構成され、第3の経路はアセチル-CoAシンテターゼ（AMP生成型）から構成される。アセチル-CoAシンターゼ（ADP生成型、EC 6.2.1.1.3）は、酢酸 + ATP ⇄ ADP + Pi + Ac-CoA の可逆反応を触媒する。

図1．酢酸からAc-CoAへの変換経路（Starai, V. J.; Escalante-Semerena, J. C. 2004）

AMP生成型アセチル-CoAシンテターゼ（Acs）酵素は自然界で保存されている

AMP生成型酵素は、アシル-AMP中間体を介して生成物の合成を触媒し、多くの同化過程に関与する。本酵素の重要性から、多くの酵素学者、分子生物学者、細胞生理学者、構造生物学者が本酵素の詳細な研究を開始している。Acsのオルソログは、細菌、一部の好熱性および超好熱性古細菌、ならびに真菌、植物、ヒトを含む真核生物に見いだされる。バイオインフォマティクス研究により、すべてのAcsオルソログが共通の祖先を有することが示されている。Acsタンパク質全体には多数の保存領域が存在し、サイズも概ね同等（約70 kDa）である。このサイズ保存性は、現存するAcsが2つの半反応（図1B）を触媒するために必要な最小構造である可能性を示唆しており、自然界においてより大型の酵素が必要とされないことを示している。

図2．S. enterica Acsの構造（Starai, V. J.; Escalante-Semerena, J. C. 2004）

AMP生成型アセチル-CoAシンテターゼによるアセチル-CoAの合成

Acsは、Bi Uni Uni Biのピンポン機構によりAc-CoAの合成を触媒する。酵素はまずATPに結合し、次いで酢酸に結合することで、酵素結合型アセチル-AMPが形成され、ピロリン酸が放出される。続いてCoAがAcsに結合した後にAc-CoAが生成される。反応は、Ac-CoAおよびAMPが順次放出されて終結する。AcsがAc-CoAを合成する機構に関する理解は、なお不完全である。さまざまな生物由来の野生型および変異型Acs、ならびに他のAMP生成型酵素についての速度論的解析および構造解析を通じて、本酵素の役割が徐々に明らかになりつつある。

acs遺伝子発現の制御

グラム陰性菌Escherichia coliにおけるacsの転写制御が最もよく理解されている。E. coliでは、acsの発現は対数増殖期中期に誘導され、細胞が定常期へ移行する際に最大となり、培養時間の経過に伴い低下する。acsの転写はグルコースにより抑制される。これは、環状AMP（cAMP）の上昇に応答してCrp（異化抑制タンパク質）により活性化されるためである。本菌においてacsは3遺伝子オペロンのプロモーター近傍遺伝子であり、当該オペロンには酢酸トランスポーター（actPによりコード）および機能不明の遺伝子yjcHが含まれる。ActPの機能は、環境中の酢酸濃度が極めて低い場合にのみ関連する。Crpによるacsの活性化は、相乗的なタイプIII機構により行われ、Crpがハウスキーピング型σ⁷⁰-RNAポリメラーゼをacsP2上に集積させ、高効率なオープンコンプレックスを形成する。acs調節領域には、近位（CrpI、中心−69.5）および遠位（CrpII、中心−122.5）のCrp結合部位が存在する。高親和性のCrpI部位はacs発現に必須であるが、最適な発現を達成するには両部位の協調的活性化が必要である。さらに、Fis（factor for inversion stimulation；FisI–III）およびIhf（integration host factor；IhfI–III）タンパク質の結合部位も、acs調節領域に存在する。

Acs活性の翻訳後制御

Acsの翻訳後制御に関する研究は、近年になって進展してきた。興味深いことに、Acs活性の制御を担うSir2（サーチュイン）依存性タンパク質アセチル化／脱アセチル化システム（SDPADS）は、真核生物の遺伝子発現制御にも関与している。代謝の観点からSDPADSの最も重要な特徴は、補因子NAD⁺を消費する点であり、その活性は細胞により厳密に制御される必要がある。Acsは、原核生物および真核生物においてSDPADSにより制御される最初の代謝酵素である。Acs活性（炭素代謝）とNAD⁺生合成（エネルギー産生）との間には関連がある。NAD⁺濃度が過度に低い場合、細胞に低エネルギー状態のシグナルが伝達され、エネルギー消費応答（Acs応答など）のダウンレギュレーションにつながる可能性が推測される。現時点では、アセチルトランスフェラーゼおよびデアセチラーゼが基質とどのように相互作用するかについての理解は限定的である。本酵素は速度論的特性が十分に特徴付けられており、2つの半反応を触媒するコンフォメーションも既知であることから、Acsはこれらの相互作用をより深く理解するための優れたモデル系として利用できる。