DMGO

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要約

哺乳類のサルコシン脱水素酵素（SDH）およびジメチルグリシン脱水素酵素（DMGDH）は、コリンおよび1炭素代謝に関与するミトコンドリア酵素です。SDHはグリシン/サルコシン調節サイクルにおいて重要な役割を果たし、その欠乏は血液および尿中のサルコシン濃度が上昇する稀な常染色体代謝異常であるサルコシネミアを引き起こします。DMGDHの欠乏は血中のN, N-ジメチルグリシンの濃度を上昇させます。これらの非常に関連性の高い酵素はFADに共有結合し、還元的半反応においてサルコシンおよびジメチルグリシンをそれぞれ対応する生成物であるグリシンおよびサルコシンに酸化する触媒反応を行います。テトラヒドロ葉酸（THF）が存在しない場合、ホルムアルデヒドは加水分解によって形成される不安定なイミン中間体から触媒される二番目の生成物です。電子移動フラボプロテイン（ETF）は、SDHとDMGDHの活性を酸化的半反応で呼吸性レドックス鎖に結びつけ、触媒サイクルを完成させます。

これらの酵素の一次構造は、タンパク質の異なる領域に位置する2つの活性部位の存在を示しています。SDHおよびDMGDHのN末端にあるヌクレオチド結合モチーフは、これらが細菌の単量体サルコシン酸化酵素（MSOX）とより遠く関連していることを示唆しています。C末端配列は、グリシン分解系のアミノメチルトランスフェラーゼであるTタンパク質の配列と非常に類似しています。サルコシンまたはベタインは、多くの微生物にとって一般的な炭素およびエネルギー源であり、グリシンベタインもオスモプロテクタントです。

Arthrobacter globiformisからのジメチルグリシン酸化酵素（DMGO）は、ベタインの分解経路の一部であり、哺乳類のSDHおよびDMGDHと30%の同一性を持っています。DMGOは酸化的半反応においてETFの代わりに分子酸素を使用しますが、SDHおよびDMGDHと同様に、基質の酸化はTHFの利用可能性に応じて5,10-メチレン-THFまたはホルムアルデヒドの形成に関連しています。

DMGOの全体構造

DMGOの1.60 Åの結晶構造はMIRASアプローチによって決定されました。酵素は、222の結晶対称性によって関連する4つのモノマーを持つ、密に詰まったダイマーの二量体であることが観察されました。タンパク質配列解析と一致して、各モノマーは機能的に異なる2つの領域を含んでいました。ジメチルグリシン酸化に関与するN末端領域は残基1-420を含み、C末端領域（残基421-830）は5,10-メチレン-THFの形成に関与する二番目の活性部位を含んでいます。

図1. DMGOモノマーの立体視 (Leys, D.; et al. 2003)

四次構造

結晶の222点対称性は、テトラマーの内部対称性と一致しています。全体の構造は、約120×120×70Åの寸法を持つ平らな四面体に似ています。FADドメインは4つの角に位置し、C末端ドメインは四面体の中心にあります。モノマーと2つの結晶学的に関連する分子との間の界面は非常に異なります。最も強い相互作用は、-x, y, -z対称関連モノマーとの間で発生し、ほぼ完全に葉酸結合ドメインで構成されています。1.7 Åプローブで得られた形状相補性（SC）値は0.76です。分析ゲル濾過実験は、タンパク質のサイズがホモダイマーとして予測されたよりもわずかに大きいことを示しており、これは低いタンパク質濃度でのタンパク質のダイマーへの解離による可能性があります。現在のところ、DMGOにアロステリック効果があるという兆候はなく、テトラマー化は酵素の安定性の向上に関連している可能性があります。全体的な配列同一性が高いにもかかわらず、DMGOの界面接触残基のいずれも哺乳類の脱水素酵素の間で保存されておらず、四次構造が哺乳類の酵素間で異なる可能性を示唆しています。

図2. DMGOテトラマーの構造 (Leys, D.; et al. 2003)

葉酸結合領域

C末端の葉酸結合領域に含まれる3つのドメインは、中央の穴の周りにクローバーリーフのような配置で位置しています。既知の構造との有意な構造的相同性は見つかりませんでした。ドメイン1（残基469-507および600-689）は、いくつかのαヘリックスによって一方の側に詰め込まれた6本の逆平行βシートです。これは、いくつかの小さな二次要素からなる不規則な構造に先行します。ドメイン1は、ポリペプチド鎖の単一の逸脱によって中断され、5本の逆平行βシートを形成し、ドメイン2（残基508-599）を形成します。ドメイン1と2は、類似のトポロジーと折りたたみを持っています。C末端ドメイン3（残基743-830）は、ドメイン1および2のβシートと垂直に詰め込まれた歪んだ6本のストランドのゼリー巻きです。

図3. N5, N10-メチレン-THF合成酵素ドメインの立体視 (Leys, D.; et al. 2003)