COX-1

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はじめに

シクロオキシゲナーゼアイソザイムCOX-1およびCOX-2は、プロスタグランジン、トロンボキサン、レブログランジンの形成を触媒する役割を担っています。プロスタグランジンは、Gタンパク質共役膜受容体との可逆的相互作用を通じて、心血管、神経、腎、免疫、消化管、生殖系を含むほぼすべての既知の生理学的および病理学的プロセスに影響を与えるオートコイドメディエーターです。レブログランジンは、さまざまなタンパク質に不可逆的に共有結合することによって作用する新しいクラスの産物です。COX酵素は、アスピリンや多くの他の非ステロイド性抗炎症薬（NSAIDs）によって阻害されるため、臨床的に重要な役割を果たしており、この阻害は炎症、発熱、血栓、神経変性、腫瘍性疾患を緩和することができます。ホフマンがアセチルサリチル酸（アスピリン）を設計・合成してから約100年が経過しました。この薬剤は、サリチル酸塩の消化管刺激を軽減しつつ、その有効性を維持することを目的としています。 

シクロオキシゲナーゼの触媒メカニズム

相互作用の約95％は疎水性残基に関与しています。サイト指向性変異導入解析により、アラキドン酸のC-13からプロS水素を抽出する残基（Tyr-385）、アラキドン酸のカルボキシレートアニオンとの静電相互作用を担う残基（Arg 120）、およびアラキドン酸の向きを最適に配置してPGG2を生成する残基（Val-349、Trp-387、Leu-534）が特定されました。 図1は、アラキドン酸とCOX-1の活性部位におけるアミノ酸残基との相互作用および触媒反応を示しています。COXの2つのアイソフォームは、類似のアミノ酸配列と触媒メカニズムを共有しています。マウスのアポCOX-2の結晶構造も、アラキドン酸が活性部位内で触媒的に無能な向きを取ることができることを確認しました。例えば、基質の陰イオンカルボキシレート末端はTyr 385およびSer 530と水素結合を形成できますが、Arg120との予測されたイオン対は形成しません。代わりに、Arg 120残基は基質の疎水性ω末端に接触します。触媒的に活性な状態において、COX-2はCOX-1に似ており、すなわち、アラキドン酸のカルボキシレートアニオンはArg 120およびTyr 355によって配位され、基質のC13プロ(S)-水素原子はTyr 385の近くに位置しています。

図1. 基質の位置決めと触媒作用を制御するCOX 1のアミノ酸残基 (Fitzpatrick, F. 2004)

単一酵素タンパク質における二機能触媒作用：ペルオキシダーゼとシクロオキシゲナーゼの統合的作用

COX触媒におけるラジカルの重要な役割に関する最初の報告から現在まで、いくつかの洞察が得られています。例えば、マンガンプロトポルフィリンIXで再構成された精製COX-1およびCOX-2酵素は、過酸化物でプローブされ、ラジカル依存的酸化を反映する電子スピン共鳴（EPR）スペクトルを生成します。この研究は、COX 2およびMnCOX-1で生成された過酸化物由来のラジカルがそれぞれ同じアラキドン酸ラジカルを形成し、その後酸素と反応して脂質ヒドロペルオキシドを生成することを示しています。EPRデータはまた、メタスタブルアラキドン酸ラジカルが平面ペンタジエニルラジカルを含むことを示唆しています。

主配列、結晶構造、および触媒メカニズムの類似性を考慮すると、COX-1およびCOX-2触媒の組成調節も類似しており、わずかな違いがあります。例えば、COX-2アイソザイムの触媒には、COX-1触媒が促進されるときの10分の1の過酸化水素レベルが必要です。科学者たちは、これはCOX-2が両方のアイソフォームが同じ細胞内区画に存在する場合にPGを優先的に生成するメカニズムによる可能性があると推測していますが、細胞がこの利点を見出す理由は不明です。COX-2の構造的安定性は、活性部位領域およびサブユニット全体においてCOX-1よりも低く、これは脂肪酸基質および阻害剤に対する異なる好みや、COX-2のより大きなサイズのポケットの存在による可能性があります。COX-2の509番目のバリン残基は、COX-1の523番目のイソロイシン残基に対応しますが、COX-1およびCOX-2の両方での変異研究は、509/523番目のバリンとイソロイシンの交換がアイソフォーム間の阻害剤特異性のすべての違いを完全には説明しないことを示唆しています。したがって、構造的安定性の違いが、それぞれの酵素活性部位におけるリガンドの選択性に寄与する可能性があります。

図2. COX-1およびCOX-2への基質アクセスに対するアセチル化の影響。COX-2に対するアシル化の推測的影響 (Fitzpatrick, F. 2004)