フマラーゼ

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はじめに

フマラーゼは、ミトコンドリアの三カルボン酸（TCA）回路に関与する酵素ですが、近年の証拠は、核内のDNA二本鎖切断（DSB）にも関与していることを示唆しています。実際、この酵素は二重標的であり、すべての真核生物のミトコンドリアおよび細胞質/核区画で簡単に検出できます。この進化的に保存された細胞質フマラーゼ、その酵素活性および関連代謝物フマル酸は、二本鎖切断に対する細胞のDNA損傷応答（DDR）に必要です。酵母では、細胞質フマラーゼが相同組換え（HR）修復経路に関与しています。ヒト細胞では、非相同末端結合（NHEJ）修復経路に関与しています。フマラーゼは、DNA依存性タンパク質キナーゼ（DNA-PK）複合体によってリン酸化され、DSBにフマル酸を引き寄せ、フマル酸の局所的な生成を誘導します。フマル酸は、リジン脱メチル化酵素2B（KDM2B）を抑制し、ヒストンH3のジメチル化を促進し、NHEJ経路を通じて切断を修復します。

フマラーゼ、その標準的機能と細胞内局在

フマラーゼは、原核生物からヒトまで保存されているクラスIIフマラーゼ酵素の一員です。S. cerevisiaeでは、フマラーゼはFUM1遺伝子によってコードされ、約200 kDaの分子量を持つホモ四量体を形成します。フマル酸をL-マレートに加水分解する反応と、その逆の脱水反応を触媒する役割を担っています。フマラーゼはミトコンドリアに存在し、三カルボン酸（TCA）回路に関与しています。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ます。この二重局在は「エコフォルム」と呼ばれ、細胞内で同じタンパク質の繰り返しの形態を示します。真核生物におけるフマラーゼの細胞内分布を調節する既知のメカニズムはいくつかあります。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ルムは、FUM1遺伝子によってコードされています。翻訳中、FUM1翻訳産物の一部は部分的に転送され、ミトコンドリアの外で折りたたまれ、逆転送として知られるメカニズムが完全なミトコンドリアの取り込みを防ぎます。翻訳終了時に、これらの折りたたまれた翻訳産物は細胞質に残り、細胞質フマラーゼ集団を構成します。

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、単一の遺伝子によって発現します。フマラーゼ遺伝子のプロモーターには、フマラーゼmRNAが転写される複数の転写開始点が含まれています。最初のグループには、フマル酸ミトコンドリア標的配列（MTS）を含むタンパク質に翻訳される転写物が含まれ、2番目のグループはこの配列を欠くフマラーゼタンパク質に翻訳されます。これにより、これらの2つのバージョンのタンパク質がそれぞれミトコンドリアおよび細胞質のエコフォルムを構成します。

図 1. 異なる生物におけるフマラーゼの二重標的化のメカニズム (Leshets, M.; et al. 2018)

フマラーゼが腫瘍抑制因子として機能するメカニズムの逆説的な性質

フマラーゼが腫瘍抑制因子として機能するための2つの提案されたモデルがあります。第一に、フマラーゼの喪失はミトコンドリアのTCA回路をブロックし、フマル酸の蓄積を引き起こし、HIFを安定化させます。第二のモデルは、フマル酸の喪失が細胞のフマル酸生成能力を低下させ、ゲノムの安定性を損なうことを示唆しています。両方のモデルにおいて、フマル酸は重要な効果因子分子であり、最初のモデルでは腫瘍原性効果を誘発し、第二のモデルでは腫瘍原性抑制因子として機能します。両方のモデルにおいて、細胞内のフマル酸の不活性化は、TCA回路のブロックとDDRのためのフマル酸生成の不可能性により、フマル酸の蓄積を引き起こすと考えられています。この矛盾は、これら2つの明らかに矛盾するモデルがどのように調和されるかという疑問を提起します。

この質問に対する最初のもっともらしい答えは、DDRで機能するためには、フマラーゼがDSBの近くの細胞DNAの近くで高濃度のフマル酸を生成する必要がある可能性に依存しているかもしれません。第二の可能性は、最初の可能性の延長であり、フマラーゼが腫瘍抑制因子として機能する2つのメカニズムが腫瘍発生の異なる段階で発生することを主張します。最初の段階では、単一の腫瘍細胞におけるフマラーゼの二重対立遺伝子不活化が、細胞DNAの近くでフマル酸を生成する能力を妨げ、ゲノムの安定性を低下させます。第二の段階では、フマラーゼ欠損細胞の増殖が、HIF安定化に必要なフマル酸濃度を達成できる密接に位置する細胞集団を形成する可能性があります。

図 2. 腫瘍形成に至るフマラーゼ枯渇の二段階モデル (Leshets, M.; et al. 2018)