ジヒドロ葉酸還元酵素

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ジヒドロ葉酸還元酵素（dihydrofolate reductase：DHFR）は、NADPHを補酵素としてジヒドロ葉酸を還元し、テトラヒドロ葉酸を生成する酸化還元酵素である。微生物および肝臓に存在するDHFRについては詳細に研究されており、分子量は約20,000である。また、葉酸をジヒドロ葉酸へ還元する反応も触媒すると考えられており、葉酸を酵素反応に必要な補酵素としての活性型であるテトラヒドロ葉酸へ変換し得る。

図1．ジヒドロ葉酸還元酵素のタンパク質構造。

序論

ジヒドロ葉酸還元酵素（DHFR）は、NADPH依存的にジヒドロ葉酸をテトラヒドロ葉酸へ還元する反応を触媒する。これは、グリシンならびにプリンおよびデオキシチミジン一リン酸（DNA合成前駆体）のde novo合成に必須の段階であり、さらにデオキシウリジン一リン酸からデオキシチミジン一リン酸への変換にも重要である。DHFRは原核生物および真核生物に普遍的に存在し、分裂・増殖するすべての細胞で認められ、完全還元型の葉酸補酵素の細胞内レベル維持に関与するが、その異化過程は依然として十分に解明されていない。細菌種は（ジアミノヘテロ環化合物の結合様式に基づき）異なるDHFR酵素を有する一方、哺乳類のDHFRは高度に相同性が高い。活性部位は配列のN末端側半分に位置し、保存性の高いPro-Trpジペプチドを含む。トリプトファン残基は基質結合に関与することが示されている。DNA前駆体合成における中心的役割に加え、トリメトプリムやメトトレキサートなど（抗菌薬または抗悪性腫瘍薬として使用される）拮抗薬によって阻害されることから、DHFRは抗がん化学療法の標的となってきた。しかし、DHFR自体の変化に起因して、一部薬剤に対する耐性が発現している。

構造

DHFRのポリペプチド主鎖の折りたたみ構造の主要な特徴は、中心に位置する8本鎖のβシートである。このうち7本は平行、1本は逆平行である。4本のαヘリックスが連続するβ鎖を連結する。残基9～24は「Met20」または「ループ1」と呼ばれ、他のループとともに活性部位を取り囲む主要サブドメインの一部を構成する。活性部位は配列のN末端側半分に位置し、保存性の高いPro-Trpジペプチドを含む。トリプトファン残基は酵素の基質結合に関与することが示されている。

臨床的意義

DHFR欠損は巨赤芽球性貧血と関連し、還元型葉酸製剤により治療可能である。本反応産物であるテトラヒドロ葉酸はヒトにおける葉酸の活性型であるため、DHFRの阻害は機能的葉酸欠乏を引き起こし得る。DHFRはDNA前駆体合成において鍵となる役割を担うことから、阻害薬の有望な標的である。トリメトプリムは細菌DHFRを阻害する抗菌薬であり、メトトレキサート（化学療法薬）は哺乳類DHFRを阻害し得る。しかし、DHFR自体の変異により、特定薬剤に対する耐性が生じている。DHFRの変異は、まれな常染色体劣性遺伝の先天性葉酸代謝異常を引き起こし、巨赤芽球性貧血、汎血球減少および重度の葉酸欠乏に至ることがある。ロイコボリン（ホリナート）により補正・補充が可能である。

機能

DHFRはジヒドロ葉酸をテトラヒドロ葉酸へ変換する。テトラヒドロ葉酸は、プリン、チミジル酸および一部アミノ酸のde novo合成に必要なメチル基（1炭素単位）シャトルとして機能する。機能的なDHFR遺伝子は第5染色体にマッピングされているが、イントロン処理を伴わない複数の偽遺伝子、またはDHFR様遺伝子が他の染色体上に同定されている。DHFRはすべての生物に存在し、細胞内のテトラヒドロ葉酸量の調節に不可欠な役割を果たす。テトラヒドロ葉酸およびその誘導体は、プリンおよびチミジル酸の合成に必須であり、細胞増殖および細胞成長に重要である。DHFRは核酸前駆体合成の中心的酵素であり、DHFRを完全に欠損する変異細胞は増殖にグリシン、アミノ酸およびチミジンを必要とすることが示されている。また、DHFRはジヒドロビオプテリンからテトラヒドロビオプテリンを回収（サルベージ）する過程に関与する酵素であることも示されている。