AOS

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要旨

アレンオキシド合成酵素（AOS）および8R-リポキシゲナーゼは、サンゴPlexaura homomallaにおいて自然に存在する融合タンパク質を構成する要素である。AOSは、脂肪酸ヒドロペルオキシドから不安定なエポキシド（アレンオキシド）を生成する反応を触媒する。ある研究によりAOSドメインの構造が報告され、カタラーゼとの顕著な構造相同性が解明された。ヘム周辺環境は概ね保存されている一方で、AOSのヘムは平面性が高く、遠位側ヒスチジンの両側に水素結合した2残基が配置されている。これらの重要な相違が、カタラーゼ様活性から脂肪酸ヒドロペルオキシド代謝酵素としての活性への機能転換に寄与した可能性が高い。

序論

プロスタグランジンおよびその他のエイコサノイドは、カリブ海産のヤギサンゴPlexaura homomallaのような軟質サンゴにおいて不可欠な役割を担う。プロスタグランジンは、従来型のシクロオキシゲナーゼ経路を介してアラキドン酸から生成されるが、サンゴ抽出物において強い触媒活性を示すのはリポキシゲナーゼ（LOX）経路による代謝である。アラキドン酸はまず8R-ヒドロペルオキシドへ変換され、続いてアレンオキシド（エポキシド）へ変換される。この経路は植物におけるジャスモン酸生合成経路と多くの類似点を有する（図1）。サンゴでは本経路がさらに進行して環状生成物を生じる可能性があるが、この関連は未だ実証されていない。サンゴにおけるエイコサノイド生合成経路の研究の過程で、BrashらはLOXドメインとアレンオキシド合成酵素（AOS）ドメインを含む122 kDaの融合タンパク質をコードする遺伝子を同定した。哺乳類における最も近縁のホモログは5-LOXであり、これはアラキドン酸からロイコトリエンを合成する酵素である。このヘモグロビンドメインはカタラーゼと弱い配列同一性を示し、同定された5つの相同領域はいずれもヘム結合または触媒残基に関与している。

電子常磁性共鳴、UV-Vis、磁気CDを含む分光学的データはいずれも、AOSがカタラーゼと同様にチロシンを軸配位子とするヘムタンパク質であることを示すが、AOSにはカタラーゼ活性は認められない。植物AOSの配列に基づけば、本酵素はシトクロムP450スーパーファミリーの一員、すなわち脂肪酸ヒドロペルオキシド代謝型P450のサブファミリー（CYP74A）に属するメンバーとして明確に同定できる。哺乳類のプロスタサイクリン合成酵素やトロンボキサン合成酵素など、他のクラスのP450酵素も脂肪酸過酸化物に対して類似の化学反応を触媒する。したがって、配列およびスペクトル特性の点でカタラーゼと関連するサンゴAOSは、極めて特異的である。 

図1. サンゴおよび植物におけるアレンオキシド生合成の比較（Oldham, M.L.; et al. 2004）

全体構造

AOSのモノマーは楔形のタンパク質であり、3次元の各方向でおよそ45～50 Åの大きさを有する。本酵素は、8本鎖の逆平行βバレルと13本のαヘリックスからなるα+βフォールドをとる（図2）。結晶中では、モノマーはα3ヘリックス同士の平行相互作用を介して会合している（図3）。この二量体化モチーフは、4種類すべての結晶形（斜方晶、三斜晶、単斜晶、およびC底心単斜晶）で観察される。C末端における分子間接触には、スレオニン（T51、T54、T58）のパッキングが関与し、その様式はロイシンジッパーを想起させる。オリゴマー界面（モノマー当たり1,070 Ų）は楔形分子の一端に位置し、全体として蝶ネクタイ状の二量体を形成する。典型的なヘムタンパク質と比較して、AOSにおける補欠分子族は非常に平面性が高い。

図2. サンゴAOS主鎖トレースのステレオ画像（Oldham, M.L.; et al. 2004）

図3. 非対称単位内の2分子のα3により形成される二量体界面（Oldham, M.L.; et al. 2004）

AOSは自然に存在する融合タンパク質中に存在する

前述のとおり、サンゴAOSは融合タンパク質のN末端ドメインとして存在し、AOSとLOXの共有結合による融合は、有効濃度を増加させることで両ドメイン間の相互親和性を高め、LOXからAOS活性部位への不安定な8R-ヒドロペルオキシドの迅速な移送を促進し得る。Marcotte et al. は、ある種のゲノムに存在する融合タンパク質が、他の種において2つのタンパク質が別々に発現しているホモログ間のタンパク質間相互作用を検討するために利用できることを示している。 したがって、サンゴにおけるAOSとLOXの融合は、他の生物におけるカタラーゼ関連AOSホモログとLOXとの相互作用を示唆する可能性がある。融合タンパク質として存在する場合であっても、独立したポリペプチドとして存在する場合であっても、8R-LOXおよびAOS活性はサンゴに広く認められ、その発現は他の無脊椎動物においても検出され得る。