GPBB

グリコーゲンホスホリラーゼ（EC 2.4.1.1、GP）は、グリコーゲンを加水分解してグルコース-1-リン酸および短縮したグリコーゲン分子を生成するホスホリラーゼ酵素の一つである。グリコーゲン分解における律速段階を触媒する。グリコーゲンホスホリラーゼは、可逆的リン酸化およびアロステリック効果の双方により制御されるモデルタンパク質としても研究されている。研究により、哺乳類には肝臓、筋肉、脳に由来するグリコーゲンホスホリラーゼのアイソフォームが存在することが示されている。筋型グリコーゲンホスホリラーゼは、筋収縮時に解糖系を介してエネルギーを得るためにグリコーゲンを分解する目的で存在し、肝グリコーゲンは血中グルコース濃度の調節に関与する。

アイソフォーム

グリコーゲンホスホリラーゼには、3つの遺伝子PYGL、PYGM、PYGBにコードされる3種類のアイソフォームが存在し、それぞれ発現組織に基づき肝型、筋型、脳型と命名されている。ヒトと各げっ歯類アイソフォーム間の配列同一性は高く（約97%）、肝型アイソフォームと筋型または脳型アイソフォーム間では80%の同一性がある。後者同士は83%の同一性を示す。グリコーゲンホスホリラーゼは二量体であり、846残基（PYGL）、841残基（PYGM）または862残基（PYGB）からなるモノマーで構成され、各モノマー中心部には必須補因子であるピリドキサールリン酸が存在し、リジン残基に共有結合している。3つのアイソフォームはいずれも、複数の代謝物エフェクターの結合によるアロステリック制御およびセリン14の可逆的リン酸化により調節される。ホスホリラーゼは、共有結合性リン酸化により制御されることが示された最初の酵素である。アセチル化による制御は近年発見された。リン酸化型および脱リン酸化型は、それぞれGPaおよびGPbと呼称される。

構造

グリコーゲンホスホリラーゼは2つのドメインから構成される。N末端ドメインには複数の制御部位が含まれる。その一つはリン酸化修飾を受けるセリン14であり、リン酸化状態に応じてサブユニット界面にまたがる領域（残基5–22）が秩序化または無秩序化したコンフォメーションをとる。もう一つは、AMPおよびG6P、ATP、フルクトース1-リン酸を含む複数のリン酸化リガンドが結合するアロステリックな「AMP活性化部位」である。本ドメインには、グリコーゲン貯蔵アロステリック部位、プリンおよびグルコースの結合部位の構成要素、ならびにアロステリック効果の伝播に必要なサブユニット界面の残基も含まれる。C末端ドメインには補因子結合部位が存在し、N末端ドメイン由来の残基とともに深いクレバス内に触媒部位を形成する。この触媒部位は、可動性ゲート（N末端ドメインの残基280–285）により遮蔽される。プリン阻害部位は触媒部位入口に位置する。

グリコーゲンホスホリラーゼ二量体には2つの面がある。1つはグリコーゲンと接触し得る触媒部位へのアクセスを有する面であり、もう1つはN末端テールおよびAMP活性化部位を含み細胞質に露出した制御面である。触媒部位は二量体界面に位置し、ピリドキサール補因子が共有結合している。基質のアクセスはゲートにより制御され、R状態では開、グルコースにより安定化されるT状態では閉となる。プリン阻害部位は、ゲートとC末端ドメイン間の相互作用により形成される。

作用機序

グリコーゲンホスホリラーゼは、グリコーゲンをグルコース単位へと分解する。本酵素はグリコーゲンの直鎖（α1-4グリコシド結合）にのみ作用する。反応は溶液中では可逆であるが、細胞内では無機リン酸濃度がグルコース-1-リン酸よりはるかに高いため、酵素反応は実質的に順方向にのみ進行する。本酵素の作用は、α1-6分岐（グリコーゲンでは極めて一般的）から4残基手前で直ちに停止する。この場合、当該領域の鎖を直鎖化するために脱分岐酵素が必要となる。さらに、転移酵素が外側分岐から3つのグルコシル残基のブロックを別の末端へ移動させ、その後、新たに形成された直鎖に残存する（単一グルコースの）α1-6残基を切断するためにα1-6グルコシダーゼが必要となる。これらの過程が完了すると、グリコーゲンホスホリラーゼは反応を継続できる。

図1．グリコーゲンに対するグリコーゲンホスホリラーゼの作用。

制御

日内周期に伴う肝グリコーゲン貯蔵量の変動は、相反的に制御されるグリコーゲンホスホリラーゼ（GP）およびグリコーゲンシンターゼ（GS）の活性変化と関連している。GPとGSの相反的な活性変化は、GS活性を正に制御し、活性化GPに対するアロステリック阻害部位を有する、グリコーゲン標的化タンパク質を介したプロテインホスファターゼ-1（PP1c）結合タンパク質により一部媒介される。したがって、GPの活性化はグリコーゲン分解速度を規定するのみならず、GS活性化の抑制も決定する。ゆえに、GPの制御は、細胞外および細胞内シグナルの双方によるグリコーゲン代謝回転の制御における主要な上流事象である。

応用

グリコーゲンホスホリラーゼの阻害は、2型糖尿病の治療法の一つとして提案されている。2型糖尿病患者では肝臓におけるグルコース産生の増加が示されていることから、肝グリコーゲン貯蔵からのグルコース放出を阻害することは妥当なアプローチと考えられる。ヒト肝グリコーゲンホスホリラーゼ（HLGP）のクローニングにより、通常研究に用いられるウサギ筋グリコーゲンホスホリラーゼ（RMGP）には存在しない、サブユニット界面近傍の新規アロステリック結合部位が明らかとなった。この部位はAMPアロステリック部位の阻害剤と同様の阻害剤に対して感受性を示さず、HLGPの既知阻害剤であり低活性のT状態を安定化するグルコース-6-リン酸に着想を得て、グルコース構造を模倣する新規阻害剤の合成が最も成功している。

参考文献