ヒスタミン脱水素酵素

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はじめに

ヒスタミンは、原核生物および動植物の組織における重要な生物由来アミンです。ヒトにおいて、ヒスタミンは神経伝達物質として作用し、アレルギー反応を媒介し、細胞増殖に関与し、胃酸の分泌を促す役割を果たします。ヒスタミン受容体は、アレルギーや胃酸を治療する薬のターゲットですが、これらのタンパク質に関する構造情報はほとんどありません。Arthrobacter globiformisからのヒスタミンオキシダーゼはヒスタミンセンサーとして使用されてきましたが、後にこの酵素はヒスタミンよりもドーパミンやチラミンに対してより敏感であることがわかりました。

ヒスタミン脱水素酵素（HADH）は、ヒスタミンを唯一の窒素源として育てたNocardiodes simplexの培養から分離できます。この酵素は、ヒスタミンの酸化的脱アミン反応を触媒する約76kDaのホモ二量体であり、イミダゾールアセトアルデヒドを生成します（スキーム1）。この酵素はヒスタミンに対して顕著な選択性を示し、バイオセンサーでの使用に大きな可能性を示しています。HADHは元々、キノンを含むアミン脱水素酵素として分類されていました。後の研究により、HADHはTMADHのホモログであり、M. methylotrophusからのジメチルアミン脱水素酵素（DMADH）は、両方のタンパク質と40%の配列同一性と56%の類似性を共有しています。

スキーム 1 (Reed, T.; et al. 2010)

珍しい6-S-システイニル-FMN、または6-S-Cys-FMNと[4Fe-4S]は、この小さなタンパク質ファミリーの補因子として機能します。HADHによるヒスタミンの酸化は、フラビンを還元型の6-S-Cys-FMN_redに残し、これは[4Fe-4S]を介した段階的電子移動反応によって媒介物質（フェナジンメトスルファートなど）またはTMADHに再酸化されます。HADHまたはTMADHが単一のターンオーバー条件下で減少すると、6-S-Cys-FMN_redと[4Fe-4S]²⁺の間で不均化反応が発生し、セミキノンである6-S-Cys-FMN_sqと[4Fe-4S]⁺が生成されます（スキーム2）。TMADHでは、2つのスピンが三重項を形成し、EPRによって強い半場信号として検出されます。基質濃度が高い定常状態条件下では、6-S-Cys-FMN_sqは基質カチオンの結合によって安定化され、[4Fe-4S]によって酸化されなくなり、基質阻害が生じます。

スキーム 2 (Reed, T.; et al. 2010)

HADHの全体構造

HADHは、非対称単位あたり2分子を含むホモ二量体であり、その全体構造は天然のTMADHに非常に似ています。全長のHADHは690残基を含みます。各分子は、酸化還元活性補因子として6-S-Cys-FMNと[4Fe-4S]を含み、1つのADPも分子あたりに存在します。各サブユニットは、大ドメイン（残基7-385）、中ドメイン（残基386-491および622-690）、小ドメイン（残基492-621）で構成されています。大ドメインには、タンパク質結晶構造で最も一般的な三次構造であるN末端トリオース-リン酸イソメラーゼバレルが含まれています。6-S-Cys-FMNはバレルの開口部に位置し、アルファヘリックスとバレルのベータストランドの端で大きな突起に囲まれて、6-S-Cys-FMNを覆い隠しています。[4Fe-4S]クラスターは、4つのシステイン残基（Cys³⁴⁸、Cys³⁵¹、Cys³⁵⁴およびCys³⁶⁶）に配位されています。配列アラインメントから予測されるように、各タンパク質分子は中ドメインに位置する1つのADP分子に結合します。ADPは表面に露出しており、小ドメインと中ドメインの界面に近いですが、共有結合はされていません。

6-S-Cys-FMNの電子密度は非常に明確で、完全にフラビン化された酵素と一致しています。TMADH（PDBコード1DJN）におけるFMNの平均占有率は0.55と推定されています。電子密度に基づいて、組換えHADHにおける6-S-Cys-FMNのイソアロキサジン環は平面ではなく、N5およびN10位置を中心とした「バタフライベンド」構造にあると推測されています。バタフライベンドの原因となる要因は不明ですが、システイン間の交差リンク形成がこのベンドを引き起こさないことが示されています。

図 1. 組換えHADH構造の概要 (Reed, T.; et al. 2010)