フルクトース-1,6-ビスホスファターゼ（FBPase）

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序論

フルクトース1,6-ビスホスファターゼ（FBPase）は糖新生における主要酵素であり、2型糖尿病治療に向けた有望な創薬標的である。本タンパク質は、FBPase活性を欠損する一部のがん細胞とも関連し、解糖系を促進してワールブルグ効果を助長することが示唆されている。したがって、糖尿病および関連がんにおける重要性から、本酵素に関する研究は近年ますます増加している。哺乳類の酵素は四量体で、フルクトース2,6-ビスリン酸により競合的に阻害され、AMPにより負のアロステリック制御を受ける。このアロステリック制御には、AMP結合部位と酵素活性部位の間での情報伝達が必要である。複数の研究により、AMP結合部位に存在する2残基（Lys112およびTyr113）が、両部位間のシグナル伝達の開始に関与することが示されている。さらに、このチロシン残基は近年、抗糖尿病薬メトホルミンとのタンパク質相互作用において重要であることが示された。要するに、これらの知見は、新規FBPase阻害薬または活性化薬の設計に重大な影響を与え得る。

フルクトース1,6-ビスホスファターゼと疾患

フルクトース1,6-ビスホスファターゼ（フルクトース二リン酸ホスファターゼ；FBPase；EC 3.3.1.11）は、糖新生およびカルビン回路において、フルクトース1,6-二リン酸をフルクトース6-リン酸へ加水分解する反応を触媒する。解糖系ではフルクトース6-リン酸のリン酸化にATPを要する一方、糖新生における脱リン酸化ではATPは産生されない。本酵素は重要な制御点でもあり、フルクトース2,6-二リン酸およびAMPにより阻害される。細胞内ATP濃度が低い条件下ではFBPaseは相対的に不活性となり、ATP合成が促進されることで「無駄回路（futile cycle）」が回避される。

図1．フルクトース1,6-二リン酸とフルクトース6-リン酸の相互変換

FBPaseは多くの生物種でホモ四量体として存在し、酵母は顕著な例外である。多くのオリゴマー酵素と同様に、本酵素はアロステリック挙動を示す。フルクトース2,6-ビスリン酸が活性部位に結合すると、立体障害により基質フルクトース1,6-ビスリン酸のアクセスが妨げられる。AMPは活性部位から離れた別部位に結合し、その結合により酵素のコンフォメーション変化が促進される。2つのサブユニットが他の2つのサブユニットに対して約19°回転し、その結果、酵素活性が低下する。

糖尿病におけるFBPaseの役割から、本酵素は2型糖尿病に対する潜在的治療標的として提案されてきた。本疾患では糖新生が過剰グルコースの主要因であり、この過剰を低減することにより、血液および組織における高グルコース濃度に伴う病態の軽減が期待される。さらにFBPase阻害の魅力的な利点として、糖新生のみに影響し、解糖系には影響しない点が挙げられる。加えて、本酵素には天然のアロステリック制御が存在することから、AMPの作用を模倣して活性を大幅に低下させ得ることが示唆される。したがって創薬研究では、AMP結合部位を認識し、FBPaseのアロステリック阻害を誘導する一方で、他のアデノシンヌクレオチド結合酵素とは相互作用しない分子の同定に注力してきた。FBPaseは、まれな常染色体劣性遺伝の先天代謝異常症（OMIM #229700）とも関連する。患者では糖新生が障害されるため、低血糖、ケトーシス、乳酸アシドーシスなどの症状が生じる。早期診断のうえ適時かつ積極的な治療が行われれば、良好な予後が得られる。具体的には、絶食の回避、食事中のグルコースの強化、ならびに食事中フルクトースの低減が含まれる。しかし未治療の場合、新生児では致死的となり得る。

情報伝達の機構

FBPaseにアロステリーが存在することは、タンパク質内部に情報伝達経路が存在することを示唆する。一般に、アロステリック変化は、コンフォメーション変化、運動性（モビリティ）の変化、またはその両者の組合せによりタンパク質内を伝播する。AMP結合の有無におけるFBPaseの結晶構造は、リガンド結合部位と四量体サブユニット界面における変化に関する豊富な情報を提供する。これらの構造的・動的変化の結果の一つとして、酵素触媒に必須な活性部位ループの位置が変位し、基質結合部位からの距離が増すことで酵素活性が低下する。

Topazらの研究は7つのバリアントに焦点を当てた。予想どおり、AMP結合部位に存在する2つのリジン残基の変化は、化合物による調節に対する反応性を低下させたが、フルクトース2,6-ビスリン酸による制御には影響しなかった。これらのバリアントは、触媒効率（特異性定数kcat / Kmで評価）の増加も示した。近年、Y113Fバリアント（当該バリアントを報告した論文で用いられた番号付けではY114F）はAMPに対する感受性が著しく低下する一方、フルクトース2,6-ビスリン酸に対する感受性も大幅に低下することが報告されており、AMP結合部位における重要領域であることを示している。これらの残基はAMP結合に関与するだけでなく、活性部位への情報伝達の開始にも関与していると考えられる。