GMPキナーゼ

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はじめに

がん細胞では代謝が変化し、腫瘍の増殖が引き起こされます。この代謝の変化の結果、ヌクレオチドGTPおよびdGTPのレベルが上昇し、ヌクレオチド生合成のアップレギュレーションが行われます。GTPおよびdGTPはそれぞれRNAおよびDNAの前駆体であり、GTPはタンパク質生合成の重要なエネルギー源であり、GTP結合タンパク質を介した重要なシグナル伝達分子です。GTPおよびdGTPの代謝において不可欠な酵素は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）です。この酵素は、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交差点に存在します。hGMPKは、ATPをリン酸基供与体として使用してGMPをGDPに可逆的にリン酸化します。したがって、hGMPKはすべてのGDP/GTP生産に必要であり、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は、hGMPKの上流にある2つのde novoプリンヌクレオチド生合成経路の酵素、IMP脱水素酵素（IMPDH）およびグアノシン一リン酸合成酵素（GMPS）を標的にしています。

IMPDHの阻害によって引き起こされるGDP/GTPレベルの枯渇は、細胞にグアノシンまたはグアニンを追加することで補完できます。なぜなら、サルベージ経路はhGMPKおよびヌクレオシド二リン酸キナーゼの作用を通じて機能し続けるからです。したがって、GDP/GTP生産を完全に阻害するためには、サルベージ経路とde novo経路の交差点の下流に位置する酵素を効果的に標的にする必要があります。したがって、hGMPKの阻害は潜在的な治療ターゲットとなる可能性があります。現在、hGMPKはさまざまな抗ウイルスおよび抗腫瘍ヌクレオシド前駆体を活性化するために使用されており、その中でも6-チオグアニンおよびその密接に関連する類似体である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効果的です。最近、hGMPKに関する小角X線散乱（SAXS）研究が行われ、hGMPKの構造データが初めて報告され、リガンド結合がhGMPKを約2Å圧縮することを示しました。その後、溶液NMR分光法により、hGMPKの初の高解像度構造が解明され、ヌクレオチドフリーの哺乳類GMPKの原子レベルの解像度を持つ初の構造となりました。

図 1. hGMPKの細胞における役割の概要 (Khan, N.; et al. 2019)

hGMPKの溶液構造

hGMPKの静電的電荷分布は、ヌクレオチド結合が静電的相互作用によって媒介されることを示唆しています。 COREドメインのLIDドメインとPループの間に位置する非常に正のパッチには、mGMPKのX線構造においてATPを配位することが示されている残基が含まれています。リン酸基およびグアニン塩基と相互作用する残基は、それぞれ正のパッチ（GMP-BD）および負のパッチ（GMP-BDおよびCORE）に存在します。実際、GMPおよびATPを配位する側鎖の向きは、ヒトとマウスの間で非常に似ており、hGMPKの機能に対するこれらの静電的パッチの重要性を示しています。

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

次に、hGMPKのNMR構造のドメインの向きをyGMPKおよびmGMPKのX線構造と比較し、複数の配列アライメントを使用して各種から同じ残基を選択しました。特に、hGMPKとmGMPKは88%の配列同一性を共有し、197の異なる残基のうち合計24に相当します。しかし、異なる側鎖の向きは比較的似たままです。N末端およびC末端を除いて、これらの残基の置換に関連する構造的な違いは主にヒンジ領域、すなわちG30S、V86EおよびQ89Rの周りに位置しています。興味深い例外は、α1中心に位置するL25Fであり、ロイシン側鎖はhGMPKの内部から離れた方向を向いているのに対し、mGMPKのフェニルアラニン側鎖は内側を向いています。他の多くの酵素と同様に、hGMPKが機能するためには大規模なドメイン運動が必要です。機械的ストレスまたはSer-35またはSer-37のプロリンへの変異によって触媒効率が大幅に低下しました。

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