GALK

ガラクトキナーゼは、ATP（アデノシン三リン酸）を消費してα-D-ガラクトースをガラクトース1-リン酸へリン酸化する反応を促進する酵素である。β-D-ガラクトースからグルコース1-リン酸への変換は、レロワール経路を構成する4種類の酵素の作用により達成される。ガラクトキナーゼはレロワール経路の第2段階、すなわちβ-D-ガラクトースをグルコース1-リン酸へ異化する反応を触媒し、この代謝経路は多くの生物に存在する。ガラクトキナーゼは哺乳類肝臓から最初に単離され、酵母、古細菌、植物、ヒトにおいて広範に研究されてきた。本酵素は代謝上重要な役割を担うことから、研究上の注目が高まっている。ガラクトキナーゼの機能欠損は、ガラクトース血症（ガラクトセミア）と呼ばれる疾患状態を引き起こし得る。さらに、ガラクトキナーゼ様分子は細胞内ガラクトース濃度のセンサーとして機能し、条件が整えば転写調節因子として作用し得る。

構造

ガラクトキナーゼは、大きな裂溝によって隔てられた2つのドメインから構成される。これら2領域はN末端ドメインおよびC末端ドメインと呼ばれ、ATPのアデニン環は両ドメイン界面の疎水性ポケットに結合する。N末端ドメインは混成βシートの5本のストランドと5本のαヘリックスを特徴とし、C末端ドメインは逆平行βシートの2層構造と6本のαヘリックスによって特徴付けられる。ガラクトキナーゼは糖キナーゼファミリーには属さず、GHMPスーパーファミリーとして知られるATP依存性酵素群に分類される。GHMPは、ガラクトキナーゼ、ホモセリンキナーゼ、メバロン酸キナーゼ、ホスホメバロン酸キナーゼという原型メンバーの頭文字に由来する。GHMPスーパーファミリーのメンバーは、配列同一性が10～20%程度と低いにもかかわらず三次元構造の類似性が高く、3つの高度に保存されたモチーフ（I、II、III）を有する。そのうち第IIモチーフはヌクレオチド結合に関与するとされ、Pro-X-X-X-Gly-Leu-X-Ser-Ser-Alaという配列を持つ。

図1．Lactococcus lactis由来ガラクトキナーゼ活性部位の結晶構造。

糖特異性

種の異なるガラクトキナーゼは、基質特異性に大きな多様性を示す。E. coliのガラクトキナーゼは、2-アミノ-デオキシ-D-ガラクトース、2-デオキシ-D-ガラクトース、3-デオキシ-D-ガラクトースおよびD-フコースのリン酸化を行うことができる。本酵素はC-4位の修飾を許容しない一方、D-ガラクトースのC-2位の変化は酵素機能に影響しない。ヒトおよびラットのガラクトキナーゼはいずれも2-デオキシ-D-ガラクトースをリン酸化可能である。これに対し、S. cerevisiae由来ガラクトキナーゼはD-ガラクトースに対して高度に特異的であり、マンノース、グルコース、フコース、アラビノース、ラクトース、ガラクチトール、または2-デオキシ-D-ガラクトースをリン酸化できない。さらに、ガラクトキナーゼの速度論的特性も種間で異なる。異なる由来のガラクトキナーゼの糖特異性は、指向性進化および構造に基づくタンパク質工学により大幅に拡張されてきた。対応する許容性の高い糖アノマーキナーゼは、in vitroおよびin vivoのグリコランダム化における基盤技術として機能する。

機構

ヒトガラクトキナーゼにおける活性部位残基の役割が近年明らかにされた。Asp-186はα-D-ガラクトースのC-1位のヒドロキシ基からプロトンを引き抜き、その結果生じたアルコキシド求核種がATPのγリン原子を攻撃する。リン酸基が糖へ転移した後、Asp-186は水により脱プロトン化され得る。近傍のArg-37はAsp-186の陰イオン型を安定化すると考えられ、ガラクトキナーゼ機能に必須であることも示されている。これらアスパラギン酸およびアルギニンの活性部位残基は、ガラクトキナーゼ間で高度に保存されている。

生物学的機能

レロワール経路は、ガラクトースをグルコースへ変換する反応を触媒する。乳製品、果物、野菜に広く含まれるガラクトースは、糖タンパク質および糖脂質の分解により内因性にも産生され得る。ガラクトキナーゼ、ガラクトース-1-リン酸ウリジリルトランスフェラーゼ、およびUDP-ガラクトース4-エピメラーゼは、レロワール経路に必須の酵素である。ガラクトキナーゼはガラクトース異化の最初のコミットメントステップを触媒し、ガラクトース1-リン酸を生成する。

疾患との関連

ガラクトース血症（ガラクトセミア）は稀な代謝性疾患であり、ガラクトース代謝能の低下を特徴とし、レロワール経路における酵素の変異に起因する。ガラクトキナーゼ欠損症は常染色体劣性の代謝異常で、ガラクトキナーゼによるガラクトースからガラクトース-1-リン酸への変換が低下することにより、ガラクトースおよびガラクチトールが蓄積することを特徴とする。本疾患は、染色体17q24に位置するGALK1遺伝子の変異により惹起される。ガラクトキナーゼ欠損症は、高ガラクトース血症を来し得る3つの先天代謝異常の一つであり、常染色体劣性形質として遺伝する。古典的ガラクトース血症とは異なり、ガラクトキナーゼ欠損症では乳児早期に重篤な症状を呈しない。主要な臨床症状は、生後数週から数か月の間に白内障が発症することであり、これはガラクトース利用の代替経路産物であるガラクチトールの蓄積に起因する。さらに、ガラクトキナーゼ欠損症のヘテロ接合体保因者において、成人後も乳摂取への依存がある場合、20～50歳で早発性白内障を来し得ることが示唆されている。

参考文献