GMPキナーゼ

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序論

がん細胞では代謝が変容し、腫瘍増殖を促進する。この代謝変容の帰結として、ヌクレオチド生合成の亢進により、ヌクレオチドであるGTPおよびdGTPの細胞内レベルが上昇する。GTPおよびdGTPはそれぞれRNAおよびDNAの前駆体であり、さらにGTPはタンパク質生合成における重要なエネルギー源であるとともに、GTP結合タンパク質を介した主要なシグナル伝達分子でもある。GTPおよびdGTP代謝に不可欠な酵素がヒトグアニル酸キナーゼ（hGMPK、遺伝子名GUK1、ATP:GMPホスホトランスフェラーゼ、EC 2.7.4.8）である。本酵素は、サルベージ経路とde novoプリンヌクレオチド生合成経路の接合点に位置する。hGMPKは、ATPをリン酸基供与体として用い、GMPのGDPへの可逆的リン酸化を触媒する。したがって、hGMPKはGDP/GTP産生の全てに必須であり、がん細胞からGDP/GTPを枯渇させることに焦点を当てた化学療法戦略では、hGMPK上流に位置するde novoプリンヌクレオチド生合成経路酵素であるイノシン一リン酸デヒドロゲナーゼ（IMPDH）およびグアノシン一リン酸シンターゼ（GMPS）の2酵素が標的とされてきた。

IMPDH阻害により生じるGDP/GTPレベルの低下は、サルベージ経路がhGMPKおよびヌクレオシド二リン酸キナーゼの作用を介して依然として機能するため、細胞へのグアノシンまたはグアニン添加によって補完され得る。したがって、GDP/GTP産生を完全に阻害するには、サルベージ経路とde novo経路の交差点より下流に位置する酵素を有効に標的化する必要がある。このことから、hGMPK阻害は潜在的な治療標的となり得る。現在、hGMPKは多様な抗ウイルス薬および抗腫瘍性ヌクレオシドプロドラッグの活性化に利用されており、その中でも6-チオグアニン、ならびにその近縁アナログである6-メルカプトプリンおよび9-β-d-アラビノフラノシルグアニンが最も有効である。近年、hGMPKに関する小角X線散乱（SAXS）研究により、hGMPKの初の構造データが報告され、リガンド結合によりhGMPKが約2 Å圧縮されることが示された。続いて、溶液NMR分光法によりhGMPKの初の高分解能構造が解明され、これはヌクレオチド非結合型の哺乳類GMPKとして初めて原子レベル分解能で得られた構造でもある。

図1．細胞内におけるhGMPKの役割の概要（Khan, N.; et al. 2019）

hGMPKの溶液構造

hGMPKの静電荷分布は、ヌクレオチド結合が静電相互作用により媒介されることを示唆している。COREドメインのLIDドメインとPループの間に位置する強い正電荷パッチには、mGMPKのX線構造においてATPの配位に関与することが示されている残基が含まれる。リン酸基およびグアニン塩基とそれぞれ相互作用する残基は、正電荷パッチ（GMP-BD）および負電荷パッチ（GMP-BDおよびCORE）に存在する。実際、GMPおよびATPの配位に関与する側鎖の配向はヒトとマウスで非常に類似しており、これらの静電パッチがhGMPK機能にとって重要であることを示している。

図2．hGMPK表面の静電荷分布（Khan, N.; et al. 2019）

次に、複数配列アラインメントを用いて各種から同一残基を選択し、hGMPKのNMR構造のドメイン配向を、yGMPKおよびmGMPKのX線構造と比較した。注目すべきことに、hGMPKとmGMPKは配列同一性が88%であり、197残基中24残基が相違することに相当するが、相違する側鎖の配向は比較的類似したままである。N末端およびC末端を除くと、これら残基置換に伴う構造差は主としてヒンジ領域周辺、すなわちG30S、V86EおよびQ89Rに局在している。興味深い例外として、α1中心に位置するL25Fがあり、hGMPKではロイシン側鎖がhGMPK内部から外側を向くのに対し、mGMPKではフェニルアラニン側鎖が内側を向く。多くの他の酵素と同様に、hGMPKの機能には大規模なドメイン運動が必要である。触媒効率は、機械的ストレスによって、あるいはSer-35またはSer-37をプロリンに変異させることにより、有意に低下した。

図3．アポhGMPKの最低エネルギーコンフォーマーに示したCOREドメイン、nsSNVs、および活性部位残基の位置（Khan, N.; et al. 2019）