ヒスタミン脱水素酵素

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序論

ヒスタミンは、原核生物ならびに動物および植物の組織に存在する必須の生体アミンである。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、細胞増殖に関与するとともに、胃内への胃酸分泌放出のシグナル伝達に関与する。ヒスタミン受容体は、アレルギーおよび胃酸過多の治療薬の標的であるが、これらタンパク質に関する構造情報は限られている。Arthrobacter globiformis 由来ヒスタミンオキシダーゼはヒスタミンセンサーとして利用されてきたものの、後に本酵素はヒスタミンよりもドーパミンおよびチラミンに対して高い感受性を示すことが判明した。

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培養した Nocardiodes simplex の培養物から単離可能である。本酵素は約76 kDaのサブユニットからなるホモ二量体であり、ヒスタミンの酸化的脱アミノ化を触媒してイミダゾールアセトアルデヒドを生成する（スキーム1）。HADHはヒスタミンに対して顕著な選択性を示し、バイオセンサー用途として高い可能性を有する。HADHは当初、キノン含有アミン脱水素酵素に分類されていたが、その後の研究によりTMADHのホモログであることが明らかとなった。また、M. methylotrophus 由来ジメチルアミン脱水素酵素（DMADH）は、両タンパク質と40%の配列同一性および56%の類似性を共有する。

スキーム1（Reed, T.; et al. 2010）

本小型タンパク質ファミリーでは、非典型的な6-S-システイニル-FMN（6-S-Cys-FMN）および[4Fe-4S]が補因子として機能する。HADHによるヒスタミンの酸化により、フラビンは還元型6-S-Cys-FMN_redとなり、[4Fe-4S]を介した段階的な電子移動反応により、フェナジンメトスルフェート等のメディエーター、またはTMADHにおいては（該当する受容体）により再酸化される。単回転条件下でHADHまたはTMADHが還元状態となると、6-S-Cys-FMN_redと[4Fe-4S]²⁺の間で不均化反応が生じ、セミキノンである6-S-Cys-FMN_sqおよび[4Fe-4S]⁺が生成する（スキーム2）。TMADHでは、これら2つのスピンが三重項を形成し、EPRにより強いハーフフィールドシグナルとして検出される。高基質濃度下の定常状態条件では、6-S-Cys-FMN_sqは基質カチオンの結合により安定化され、[4Fe-4S]による酸化を受けなくなる結果、基質阻害が生じる。

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型TMADHと非常に類似している。全長HADHは690残基からなる。各分子は酸化還元活性補因子として6-S-Cys-FMNおよび[4Fe-4S]を含み、さらに各分子あたり1分子のADPも存在する。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）から構成される。大ドメインにはN末端のトリオースリン酸イソメラーゼ（TIM）バレルが含まれ、これはタンパク質結晶構造において最も一般的な三次構造フォールドである。6-S-Cys-FMNはバレル開口部に位置し、αヘリックスおよびバレルのβストランド末端における大きな張り出し構造により取り囲まれて、6-S-Cys-FMNを覆い埋没させている。[4Fe-4S]クラスターは4つのCys残基（Cys³⁴⁸、Cys³⁵¹、Cys³⁵⁴、Cys³⁶⁶）により配位される。配列アラインメントから予測されたとおり、各タンパク質分子は中ドメインに位置する1分子のADPに結合する。ADPは小ドメインと中ドメインの界面近傍の表面に露出しているが、共有結合はしていない。

6-S-Cys-FMNの電子密度は非常に明瞭であり、完全にフラビニル化された酵素であることと整合する。TMADH（PDBコード1DJN）におけるFMNの平均占有率は0.55と推定されている。電子密度に基づき、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、組換えTMADHで示されたのと同様に、N5およびN10位を中心とする「バタフライベンド」配座をとる可能性が示唆される。このバタフライベンドの要因は不明であるが、システイニル架橋の形成がベンドを引き起こすものではないことが示されている。

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