CRAT

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序論

カルニチンアシルトランスフェラーゼは、カルニチンと補酵素A（CoA）との間でアシル基の交換反応を触媒する酵素群である。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とも呼称）、カルニチンパルミトイルトランスフェラーゼ（CPT）およびカルニチンオクタノイルトランスフェラーゼ（COT）が含まれ、それぞれ短鎖・中鎖・長鎖脂肪酸基質に対する選択性を有する。これらの酵素は通常、約600残基からなり、分子量は約70 kDaである。カルニチンアシルトランスフェラーゼは重要な生物学的機能を担う。例えば、CPT-IおよびCPT-IIは長鎖脂肪酸のミトコンドリア膜通過輸送を促進し、ミトコンドリアにおける長鎖脂肪酸のβ酸化に不可欠な役割を果たす。CRATは、アセチルCoA：CoAのバランスを維持するために、アセチルCoAの細胞膜を介した輸送に関与する可能性がある。さらにCRATは、細胞周期のG1期からS期への進行にも関与する。

これらの酵素の変異または機能障害は、多くの重篤、場合によっては致死的なヒト疾患と関連する。例えば、CPT-IおよびCPT-IIの常染色体劣性遺伝性欠損は低ケトン血症および低血糖を引き起こし得る。また、CPT-II欠損症は骨格筋における脂質代謝異常の最も一般的な原因である。CRAT活性の遺伝性欠損は、重篤な心疾患および神経学的障害につながり得る。アルツハイマー病患者では、CRAT活性の低下が認められる。したがって、カルニチンアシルトランスフェラーゼは、複数のヒト疾患に対する治療薬開発における有望な標的となっている。例えば、L-CPT-I（主として肝臓および腎臓で発現するCPT-Iアイソフォーム）の阻害剤は、非インスリン依存性糖尿病（NIDDM）を有効に治療し得る。しかしながら、これらの不可逆的阻害剤の臨床応用は、副作用により著しく制限されている。これらの酵素はデータベース上の他タンパク質との間に明確な配列相同性が認められないため、L-CPT-Iに対する新規かつ可逆的阻害剤の設計・開発は困難であり、これら酵素の構造および機能に関する理解の深化が求められる。

CRATの全体構造

マウスCRATの遊離酵素の結晶構造が、1.8 Å分解能で決定されている。原子モデルは、非対称単位内の2分子それぞれについて残基30–625を含み、酵素の成熟型全長に概ね相当する。Ramachandranプロットでは、IIe116を除く全残基が許容領域に位置する。CRATは16本のβストランド（β1–β16）および20本のαヘリックス（α1–α20）から構成され、2つのドメインに区分される。Cドメインは、6本鎖の混合βシートと11本のαヘリックスを含む。本ドメインに含まれる残基は、C末端側の残基407–626、ならびにタンパク質N末端側の残基30–95であり、このドメインのβシートの一方の面はαヘリックスにより覆われている。α13ヘリックス（残基386–487の領域）は、NドメインとCドメインを連結する長い接続部を形成する。

Nドメインは8本鎖の混合βシートを含み、その両側が8本のαヘリックスにより覆われている。注目すべきことに、NドメインとCドメインの間には認識可能なアミノ酸配列相同性がないにもかかわらず、ポリペプチド主鎖のフォールドは非常に類似している。この構造相同性は両ドメインのコアに限定され、βシート中心部の6本のβストランドおよび密接に対応する3本のαヘリックス（α6、α7、α12）を含む。両ドメイン間で合計71個のCα位置が3.5 Å以内で重ね合わせ可能であり、対応原子の二乗平均平方根偏差（RMSD）は2.0 Åである。

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

触媒機構に関する示唆：基質補助触媒

CRATの活性部位に存在するHis残基は、触媒反応において一般塩基として機能する。反応の進行方向に応じて、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引き抜く。機構および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した場合、活性部位の反対側チャネルに水分子が結合し、アシル基の受容体となる。したがって、これらのトランスフェラーゼは、アシルカルニチンまたはアシルCoAの単純加水分解反応も触媒し得る。この無益な加水分解は、酵素の活性部位が2つの基質により占有され得るため、in vivoでは主要な反応ではない可能性がある。構造解析およびモデリング研究から、カルニチンのトリメチルアンモニウム基は、反応の四面体中間体におけるオキシアニオンを安定化することにより、これらアシルトランスフェラーゼの触媒に重要な役割を果たす可能性が示唆される。これは、カルニチンの正電荷は結合には重要ではない一方で、触媒機能には必須であるという観察結果によって支持される。

図2. カルニチンアシルトランスフェラーゼの触媒機構（Gerwald, J.; Liang, T. 2003）