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-リン酸と短縮され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す。グリコーゲンの分解における速度制限ステップを触媒します。グリコーゲンホスホリラーゼは、可逆的なリン酸化とアロステリック効果の両方によって調節されるモデルタンパク質としても研究されています。研究により、哺乳類には肝臓、筋肉、脳のアイソフォームが存在することがわかっています。筋肉のグリコーゲンホスホリラーゼは、筋収縮中に解糖系を介してエネルギーの形にグリコーゲンを分解するために存在し、肝臓のグリコーゲンは血液中の血糖値を調節するために存在します。

アイソフォーム

グリコーゲンホスホリラーゼのアイソフォームは、3つの遺伝子PYGL、PYGM、PYGBによってコードされており、それぞれ肝臓、筋肉、脳と呼ばれ、発現する組織にちなんで名付けられています。ヒトとそれぞれの齧歯類のアイソフォーム間には高い配列同一性（約97%）があり、肝臓のアイソフォームと筋肉または脳のアイソフォーム間には80%の同一性があります。後者は83%の同一性を共有します。グリコーゲンホスホリラーゼは、846（PYGL）、841（PYGM）、または862（PYGB）残基のモノマーからなる二量体であり、各モノマーの中心にはリジン残基に共有結合した必須補因子であるピリドキサルリン酸があります。グリコーゲンホスホリラーゼの3つのアイソフォームは、いくつかの代謝物エフェクターの結合とセリン-14の可逆的なリン酸化によってアロステリックに調節されます。ホスホリラーゼは、共有結合リン酸化によって調節される最初の酵素であることが示されました。アセチル化による調節は最近発見されました。リン酸化された形と脱リン酸化された形は、それぞれGPaとGPbと呼ばれます。

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ています。N末端ドメインにはいくつかの調節部位が含まれています。一つはリン酸化によって修飾されるセリン-14であり、リン酸化状態に応じてサブユニットインターフェースを横断する領域（残基5–22）内に位置します。もう一つは、AMPおよびG6P、ATP、フルクトース1-リン酸を含むいくつかの他のリン酸化リガンドを結合するアロステリック「AMP活性化部位」です。このドメインには、グリコーゲン貯蔵アロステリック部位やプリンおよびグルコースの結合部位の成分、ならびにアロステリック効果を伝播するために必要なサブユニットインターフェースの残基も含まれています。C末端ドメインには補因子結合部位が含まれ、N末端ドメインの残基と共に深い亀裂に触媒部位を含み、これはN末端ドメインの残基（280-285残基）からなる可動ゲートによって保護されています。プリン阻害部位は触媒部位の入口にあります。

グリコーゲンホスホリラーゼの二量体には2つの面があります：一つは触媒部位へのアクセスがあり、グリコーゲンと接触する面であり、もう一つはN末端テールとAMP活性化部位が細胞質に露出している調節面です。触媒部位は二量体インターフェースにあり、ピリドキサル補因子が共有結合しています。基質のアクセスは、R状態で開いている位置と、グルコースによって安定化されたT状態で閉じている位置を持つゲートによって守られています。プリン阻害剤は、ゲートとC末端ドメインとの接触によって形成されます。

メカニズム

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サブユニットに分解します。これは、グリコーゲンの線状鎖（α1-4グリコシド結合）にのみ作用できます。反応は溶液中では可逆的ですが、細胞内では無機リン酸の濃度がグルコース-1-リン酸の濃度よりもはるかに高いため、酵素は前方方向にのみ機能します。α1-6分岐から4残基離れたところで作業はすぐに停止します（これはグリコーゲンに非常に一般的です）。このような状況では、分岐を解消する酵素が必要であり、その領域の鎖をまっすぐにします。さらに、酵素トランスフェラーゼは、外側の分岐から3つのグルコシル残基のブロックを他の端に移動させ、その後、残りの（単一のグルコース）α1-6残基を新しい線状鎖で切断するためにα1-6グリコシダーゼ酵素が必要です。これらすべてが完了した後、グリコーゲンホスホリラーゼは続行できます。

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。

調節

昼夜サイクル中の肝臓のグリコーゲン貯蔵の変化は、相互に調節されるグリコーゲンホスホリラーゼ（GP）とグリコーゲンシンテターゼ（GS）の活性の変化に関連しています。GPとGSの活性の相互変化は、GSの活性を正に調節し、活性化されたGPに対するアロステリック阻害部位を持つプロテインホスファターゼ-1（PP1c）のグリコーゲン標的結合タンパク質によって部分的に媒介されています。したがって、GPの活性化は、グリコーゲンの分解速度だけでなく、GSの活性化の抑制も決定します。したがって、GPの調節は、細胞外および細胞内の信号によるグリコーゲンのターンオーバー制御における主要な上流イベントです。

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ます。肝臓におけるグルコース生成が2型糖尿病患者で増加することが示されているため、肝臓のグリコーゲン供給からのグルコースの放出を抑制することは有効なアプローチのようです。ヒト肝臓グリコーゲンホスホリラーゼ（HLGP）のクローニングにより、研究で通常使用されるウサギ筋肉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インターフェース近くの新しいアロステリック結合部位が明らかになりました。この部位は、AMPアロステリック部位の阻害剤と同じ阻害剤には敏感ではなく、グルコースの構造を模倣する新しい阻害剤の合成が最も成功しています。グルコース-6-リン酸はHLGPの既知の阻害剤であり、より活性の低いT状態を安定化させます。

参考文献