CRAT

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はじめに

カルニチンアシル転移酵素は、カルニチンとコエンザイムA（CoA）間のアシル基の交換を触媒する役割を担っています。これらの酵素には、カルニチンアセチルトランスフェラーゼ（CRAT、CATとも呼ばれる）、カルニチンパルミトイル転移酵素（CPT）、およびカルニチンオクタノイル転移酵素（COT）が含まれ、短鎖、中鎖、長鎖脂肪酸の基質に対する好みがあります。これらの酵素は通常、約600の残基を含み、分子量は約70 kDaです。カルニチンアシル転移酵素は重要な生物学的機能を持っています。例えば、CPT-IおよびCPT-IIは、長鎖脂肪酸をミトコンドリア膜を越えて輸送することを促進し、したがってミトコンドリア内での長鎖脂肪酸のβ酸化において重要な役割を果たします。CRATは、アセチル-CoAとCoAのバランスを維持するために、細胞膜を越えてアセチル-CoAを輸送することに関与している可能性があります。さらに、CRATは細胞周期のG1からS期への進行にも関与しています。

これらの酵素の変異や障害は、多くの深刻で時には致命的な人間の病気に関連しています。例えば、CPT-IおよびCPT-IIの遺伝性劣性欠損は、低ケトン血症や低血糖を引き起こす可能性があり、CPT-II欠損は骨格筋における異常な脂質代謝の最も一般的な原因です。CRAT活性の遺伝的欠損は、深刻な心臓および神経学的問題を引き起こす可能性があります。アルツハイマー病の患者では、CRATの活性が低下しています。したがって、カルニチンアシル転移酵素は、いくつかの人間の病気に対する治療薬の開発の有望なターゲットとなっています。例えば、L-CPT-Iの阻害剤は、主に肝臓と腎臓で発現するCPT-Iのアイソタイプであり、非インスリン依存型糖尿病（NIDDM）を効果的に治療できます。残念ながら、これらの不可逆的阻害剤の臨床応用は、その副作用によって厳しく制限されています。これらの酵素とデータベース内の他のタンパク質との間には認識可能な配列相同性がなく、L-CPT-Iの新しい可逆的阻害剤の設計と開発は困難なプロセスとなっています。したがって、これらの酵素の構造と機能についてのより良い理解が必要です。

CRATの全体構造

マウスCRATの自由酵素の結晶構造が1.8 Åの分解能で得られました。原子モデルは、非対称単位内の2つの分子それぞれに対して30-625を含み、基本的には酵素の成熟した全長型に対応しています。IIe116を除くすべての残基は、ラマチャンドランプロットの好ましい領域に位置しています。CRATは16のβ鎖（β1-β16）と20のαヘリックス（α1-α20）から構成され、2つのドメインに分けることができます。Cドメインは、6本のストランドからなる混合βシートと11本のαヘリックスを含んでいます。このドメインの残基には、C末端の残基407-626とN末端の残基30-95が含まれ、このドメインのβシートの一面はαヘリックスによって覆われています。ヘリックスα13、残基386-487の領域は、NドメインとCドメインの間に長い接続を形成します。

Nドメインは、8本のストランドからなる混合βシートを含み、両側に8本のαヘリックスで覆われています。驚くべきことに、NドメインとCドメインは、相互に認識可能なアミノ酸配列の相同性がないにもかかわらず、非常に似たポリペプチドバックボーンの折りたたみを共有しています。この構造的相同性は、βシートの中心にある6本のβストランドと、3つの密接に関連するαヘリックス（α6、α7、およびα12）を含む2つのドメインのコアに限定されています。合計71のCα位置が、2つのドメイン間で3.5 Å以内に重ね合わせることができ、これらの同等の原子の二乗平均距離は2.0 Åです。

図1. CRATの構造 (Gerwald, J.; Liang, T. 2003)

触媒メカニズムへの示唆：基質補助触媒

CRATの活性部位にあるヒスチジン残基は、触媒反応における一般的な塩基として機能します。反応の方向に応じて、カルニチンの3-ヒドロキシル基またはCoAのチオール基からプロトンを抽出します。メカニズムと構造から明らかなように、アシルカルニチンまたはアシル-CoAのみが活性部位に結合すると、水分子が活性部位の反対側のチャネルに結合し、アシル基の受容体となります。したがって、これらの転移酵素は、アシルカルニチンまたはアシル-CoAの単純な加水分解も触媒することができます。この無駄な加水分解は、酵素の活性部位が2つの基質によって占有される可能性があるため、in vivoでは重要な反応ではないかもしれません。構造解析とモデリング研究は、カルニチンのトリメチルアンモニウム基が、反応の四面体中間体におけるオキシアニオンを安定化させることによって、これらのアシル転移酵素による触媒において重要な役割を果たす可能性があることを示しています。これは、カルニチンの正の電荷がその結合にとって重要ではないが、触媒機能には必要であるという観察によって支持されています。

図2. カルニチンアシル転移酵素の触媒メカニズム (Gerwald, J.; Liang, T. 2003)