GLDH

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はじめに

グルタミン酸脱水素酵素（GLDH、またはGDH）は、グルタミン酸をα-ケトグルタル酸とアンモニアに可逆的に変換し、NAD(P)⁺をNAD(P)Hに還元する六量体酵素です。クレブス回路のアナプレロシスとエネルギー生産を促進するだけでなく、GDHは細胞シグナル伝達や赤色素の恒常性にも密接に関連しています。

異なるGDHアイソザイムは通常、細菌や酵母などの低等生物で発現し、これらのアイソザイムはNAD⁺またはNADP⁺に対して厳密な特異性を持っています。NAD⁺依存性GDHは主に代謝的役割を果たし、NADP⁺特異的酵素は生合成機能に関与しています。酵母Saccharomyces cerevisiaeでは、3つの異なるGDHアイソザイムが同定されています：yGDH1（NADP⁺特異性）、yGDH2（NAD⁺特異性）およびyGDH3（NADP⁺特異性）。NAD⁺特異的アイソザイム（yGDH2）は、グルタミン酸をα-ケトグルタル酸とアンモニアに酸化的脱アミノ化する役割を果たし、NADP⁺特異的アイソザイム（yGDH1、yGDH3）は主にグルタミン酸の生合成に関与しています。低等生物では、GDHの調節は転写レベルで達成されます。Arabidopsis thalianaでは、NAD⁺特異的GDHは3つの異なる遺伝子（aGDH1、aGDH2およびaGDH3）によってコードされています。Oryza sativa（米）では、NAD⁺特異的oGDHも異なる発現パターンを示す3つの異なる遺伝子によってコードされています。同時に、NADP⁺特異的GDHタンパク質も一連の高等植物で同定されています。哺乳類では、GDHは二重補酵素特異性を持つ高度に調節された酵素に発展しています。哺乳類のGDH1（ヒトではhGDH1）は、異化作用と細胞合成において重要な役割を果たすことができます。さらに、GDH1は複雑なアロステリック調節システムによって制御されています。

図1. グルタミン酸脱水素酵素（GDH）経路とクレブス回路の機能（Plaitakis, A.; et al. 2017）

構造

GDHは6つのサブユニットからなる六量体です。これらのペプチドはそれぞれ約500のアミノ酸を含み、分子量は約56 kDaです。六量体酵素は2つのトリマーから構成されており、それぞれが3つの機能ドメインを含んでいます：NAD⁺結合、グルタミン酸結合および調節ドメインです。トリマー内では、隣接するサブユニットのアンテナが絡み合っており、このサブユニット間相互作用がアロステリーを媒介すると考えられていますが、正確なメカニズムは完全には理解されていません。

近年、異なるGDHの高解像度X線構造の取得により、これらの触媒機能の分子メカニズムについて深く理解することができました。哺乳類のGDH1（「アンテナ」を含む高度な構造）に関する最近の研究では、六量体構造が各触媒サイクルで重要な立体構造変化を経ることが示されています。触媒隙間が開くと、NAD⁺ドメインがグルタミン酸結合ドメインから離れ、アンテナの周りを時計回りに回転することが観察されています。これらの観察結果は、hGDH1のこのヘリックスに位置するアミノ酸の変異がGTP抑制効果を弱め、過剰インスリン血症/過剰アンモニア血症（HI/HA）症候群を引き起こすことを示しており、小さなヘリックスの重要性を強調しています。

図2. hGDH1の構造モデル（Plaitakis, A.; et al. 2017）

GDH触媒

研究により、哺乳類のGDHの熱力学的平衡がグルタミン酸の合成を促進することが示されていますが、酵素が酸化的脱アミノ化の方向に作用するかどうかはまだ不明ですin vivo. GDHの触媒効果は基質濃度、イオン強度、pH、およびバッファー組成に影響されます。哺乳類組織から精製されたGDHまたは組換えhGDH1に関する研究では、酵素の最適pH範囲は7.75-8.00であり、低pH値ではADP活性化が著しく低下することが示されています。hGDH2の最適pHは7.50であり、酵素はさらに低いpH値（7.25から7.0）でも効果的に機能することができます。アンモニアの相対的に高いKmのため、GDHは酸化的脱アミノ化の方向に作用することが期待され、特にアンモニア濃度が通常低い組織ではその傾向が強いです。

hGDH1のhGDH2と異なる部位での部位特異的変異導入により、アンテナの下降鎖に位置する単一の進化的アミノ酸置換（Arg443Ser）が触媒活性を低下させ、L-ロイシン活性化を排除することが示されました。さらに、Arg443Serの変化により、酵素は熱に不安定になり、ステロイドホルモンに対する感受性が増加します。ヒトGDHの他の機能解析では、hGDH2の基本的な活性がアッセイ中のリコンビナーゼの濃度に依存することが示されています。野生型hGDH2とhGDH1変異体の酵素タンパク質濃度に対する依存性は、アンテナ内のArg443-Ser409水素結合の破壊に関連していると考えられています。hGDH2とhGDH1変異体の場合とは異なり、野生型hGDH1のタンパク質濃度を変えてもその特異的活性にはほとんど影響がありません。