FBPase

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はじめに

フルクトース1,6-ビスリン酸ホスファターゼ（FBPase）は、糖新生における重要な酵素であり、2型糖尿病の治療のための潜在的な薬剤ターゲットです。このタンパク質は、FBPase活性を欠くいくつかの癌細胞とも関連しており、これが解糖を促進し、ワールブルグ効果を助長します。したがって、糖尿病および関連する癌における重要な役割のために、この酵素に関する研究がますます行われています。哺乳類の酵素はテトラマーであり、フルクトース2,6-ビスリン酸によって競争的に阻害され、AMPによって負のアロステリック調節を受けます。このアロステリック調節は、AMP結合部位と酵素の活性部位間の情報伝達を必要とします。いくつかの研究により、AMP結合部位の2つの残基（Lys112およびTyr113）が、2つの部位間のメッセージの開始に関与していることが示されています。このチロシン残基は、抗糖尿病薬メトホルミンとのタンパク質相互作用に重要であることが最近示されています。要するに、これらの発見は新しいFBPase阻害剤または活性化剤の設計に深い影響を与える可能性があります。

フルクトース1,6-ビスリン酸ホスファターゼと病気

フルクトース1,6-ビスリン酸ホスファターゼ（フルクトースジホスファターゼ; 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-ジリン酸をフルクトース6-リン酸に加水分解する触媒反応を担っています。解糖中にフルクトース6-リン酸をリン酸化するためにATPが必要ですが、糖新生中の脱リン酸化ではATPは生成されません。この酵素はまた、重要な調節点であり、フルクトース2,6-ジリン酸およびAMPによって阻害されます。細胞内ATP濃度が低い条件下では、FBPaseは比較的非活性であり、ATP合成が刺激され、「無駄なサイクル」を回避します。

図1. フルクトース1,6-ジリン酸とフルクトース6-リン酸の間の変換

FBPaseはほとんどの種でホモテトラマーであり、酵母が顕著な例外です。多くのオリゴマー酵素と同様に、この酵素はアロステリックな挙動を示します。フルクトース2,6-ビスリン酸が活性部位に結合すると、基質フルクトース1,6-ビスリン酸のアクセスが立体的に妨げられます。AMPは活性部位から遠く離れた別の部位に結合し、その結合は酵素の立体構造変化を促進します。2つのサブユニットは他の2つのサブユニットに対して約19°回転し、酵素活性が低下します。

FBPaseの糖尿病における役割は、2型糖尿病の潜在的な治療法として提案される要因となっています。この病気では、糖新生が過剰なグルコースを引き起こす重要な要因であり、この過剰なグルコースを減少させることで、血液および組織内の高グルコース濃度に関連する病理を軽減します。また、FBPaseの阻害は解糖には影響を与えず、糖新生にのみ影響を与えるという魅力的な利点があります。さらに、酵素の自然なアロステリック調節の存在は、AMPの効果を模倣する可能性があることを示唆しており、これによりその活性が大幅に低下します。したがって、薬剤発見の努力は、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が、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特定に焦点を当てています。FBPaseは、まれな常染色体劣性遺伝性代謝疾患（OMIM #229700）に関連しています。患者の糖新生は障害され、低血糖、ケトーシス、乳酸アシドーシスなどの症状が現れます。早期診断が適時かつ積極的な治療であれば、良好な予後が得られます。これらの対策には、絶食を避けること、食事中のグルコースの強化、食事中のフルクトースの減少が含まれます。しかし、治療を受けない場合、新生児にとって致命的になる可能性があります。

メッセージを伝える

FBPaseにおけるアロステリーの存在は、タンパク質内に情報伝達経路が存在することを示唆しています。一般に、アロステリック変化は、立体構造の変化、可動性の変化、またはその両方の組み合わせによってタンパク質を通じて伝達されます。AMPが結合したFBPaseの結晶構造は、リガンド結合部位とテトラマーサブユニット間の界面の変化に関する豊富な情報を提供します。これらの構造的および動的変化の1つの結果は、酵素触媒に不可欠な活性部位のループの移動であり、基質結合部位からの距離が酵素活性を低下させます。

Topaz et al.の研究は、7つの変異体に焦点を当てました。予想通り、AMP結合部位の2つのリジン残基の変化は、化合物の調節に対する反応性の低下をもたらしましたが、フルクトース2,6-ビスリン酸による調節には影響を与えませんでした。これらの変異体は、触媒効率の向上（特異性定数kcat / Kmで測定）にも影響を与えます。最近、Y113F変異体（この変異体を報告する論文で使用されている番号付けスキームではY114F）がAMPに対する感受性が大幅に低下していることが報告されましたが、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しており、これはAMP結合部位の重要な領域であることを示しています。これらの残基はAMPの結合だけでなく、活性部位への情報伝達の開始にも関与しているようです。