フマラーゼ

関連する読書

序論

フマラーゼはミトコンドリアにおけるトリカルボン酸（TCA）回路に関与する酵素であるが、近年のエビデンスから、核内におけるDNA二本鎖切断（DSB）にも関与することが示唆されている。実際、本酵素は二重標的化（dual-targeting）されており、すべての真核生物においてミトコンドリア区画および細胞質／核区画の双方で容易に検出される。進化的に保存されたこの細胞質フマラーゼ、その酵素活性、および関連代謝物であるフマル酸は、二本鎖切断に対する細胞のDNA損傷応答（DDR）に必須である。酵母では、細胞質フマラーゼは相同組換え（HR）修復経路に関与する。ヒト細胞では、非相同末端結合（NHEJ）修復経路に関与する。フマラーゼはDNA依存性プロテインキナーゼ（DNA-PK）複合体によりリン酸化され、これによりDSB部位へのフマル酸のリクルートおよび局所的なフマル酸産生が誘導される。フマル酸はリジン脱メチル化酵素2B（KDM2B）を阻害し、その結果ヒストンH3のジメチル化を促進して、NHEJ経路を介した切断修復を促進する。

フマラーゼ：正規機能および細胞内局在

フマラーゼは、原核生物からヒトに至るまで保存されているクラスIIフマラーゼ酵素群の一員である。S. cerevisiaeでは、フマラーゼはFUM1遺伝子によりコードされ、分子量約200 kDaのホモ四量体を形成する。フマル酸からL-リンゴ酸への水和反応、および逆反応である脱水反応を触媒する。フマラーゼはミトコンドリアに存在し、TCA回路に関与する。ミトコンドリアに加えて、フマル酸は細胞質区画にも存在し、その細胞質局在は高度に保存されている。この二重局在は「エコフォーム（echoforms）」と呼ばれ、同一タンパク質が細胞内で反復的に存在する形態を示す。真核生物におけるフマラーゼの細胞内分布を制御する機構はいくつか知られている。S. cerevisiaeの細胞質およびミトコンドリアのフマラーゼ・エコフォームはいずれもFUM1遺伝子によりコードされる。翻訳過程において、FUM1翻訳産物の一部は部分的にトランスロケーションされ、ミトコンドリア外でフォールディングする。さらに、逆トランスロケーション（reverse translocation）と呼ばれる機構により、ミトコンドリアへの完全な取り込みが阻止される。翻訳終結後、これらのフォールディングした翻訳産物は細胞質に残存し、細胞質フマラーゼ集団を構成する。

フマラーゼのヒトホモログはフマル酸ヒドラターゼ（FH）と呼ばれ、単一遺伝子により発現する。フマラーゼ遺伝子プロモーターには複数の転写開始点が存在し、そこから2種類のフマラーゼmRNA群が転写される。第1群はフマラーゼのミトコンドリア標的化配列（MTS）を含むタンパク質へ翻訳され、第2群はこの配列を欠くフマラーゼタンパク質へ翻訳される。結果として、これら2種類のタンパク質がそれぞれミトコンドリア型および細胞質型のフマラーゼ・エコフォームを構成する。

図1．異なる生物におけるフマラーゼ二重標的化の機構（Leshets, M.; et al. 2018）

フマラーゼが腫瘍抑制因子として機能する機構の逆説的性質

フマラーゼの腫瘍抑制因子としての活性について、2つのモデルが提唱されている。第1に、フマラーゼの喪失によりミトコンドリアのTCA回路が阻害され、フマル酸が蓄積してHIFが安定化するというモデルである。第2のモデルでは、フマラーゼの喪失により細胞のフマル酸産生能が低下し、その結果ゲノム安定性が損なわれるとされる。いずれのモデルでもフマル酸が主要なエフェクター分子であり、第1モデルでは腫瘍促進作用を誘導し、第2モデルでは腫瘍促進を抑制する因子として作用する。両モデルにおいて、細胞内でフマル酸（フマラーゼ活性）が不活化されると、TCA回路の遮断によりフマル酸が蓄積する一方で、DDRに必要なフマル酸を産生できなくなると考えられている。この不整合は、一見矛盾する2つのモデルをどのように整合させるかという疑問を提起する。

この問いに対する第1の妥当な回答は、DDRに機能するためには、フマラーゼがDSB近傍の細胞DNA周辺で高濃度のフマル酸を産生する必要がある可能性に依拠する。第2の可能性は第1の拡張であり、フマラーゼが腫瘍抑制因子として作用する2つの機構は腫瘍発生の異なる段階で生じるとする。第1段階では、単一の腫瘍細胞におけるフマラーゼの両アレル不活化により、細胞DNA近傍でフマル酸を産生する能力が障害され、ゲノム安定性が低下する。第2段階では、フマラーゼ欠損細胞の増殖により、HIF安定化に必要なフマル酸濃度が達成され得る、局在性の高い細胞集団が形成される可能性がある。

図2．フマラーゼ枯渇が腫瘍形成に至る二段階モデル（Leshets, M.; et al. 2018）