IDUA

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背景

アスパラギン結合タンパク質の糖鎖修飾は、真核生物における主要な翻訳後修飾の一つであり、これはオリゴ糖鎖がアスパラギンのNδ原子に結合することを意味します（Asn-Xaa-Ser/Thr、Xaaはプロリン以外の任意のアミノ酸）。N-糖鎖修飾は生物において非常に重要であり、免疫認識、細胞信号伝達、リガンド-受容体結合、折りたたみおよび安定性など、タンパク質にさまざまな機能を付与します。α-ガラクトシダーゼAやグルコセレブロシダーゼなどのいくつかのリソソーム酵素において、脱糖鎖修飾はタンパク質の安定性を低下させ、結果として酵素活性を減少させる可能性があります。しかし、N-糖鎖と酵素活性の正確な関係についての研究データはまだ不足しています。

α-L-イドロヌシダーゼ（IDUA; EC 3.2.1.76）は重要なリソソーム酵素です。IDUA活性の減少または喪失は、リソソーム内にグリコサミノグリカンの蓄積を引き起こし、これがムコ多糖症タイプI（MPS I）につながります。ヒトIDUAは653個のアミノ酸に翻訳され、6つの潜在的な部位（N110、N190、N336、N372、N415、N451）でN-糖鎖修飾を受けます。その後、N末端の26残基が除去され、リソソーム内で成熟型に加工されます。

IDUAはL-イドロニック酸（IdoA）の末端とN-アセチルガラクトサミン（GalNAc）-4-硫酸/N-スルフォ-D-グルコサミン（GlcNS）-6-硫酸の2番目の糖の間のグリコシド結合を加水分解します。したがって、IDUAの欠損はデマタン/ヘパラン硫酸の蓄積を引き起こし、進行性の知的障害、小柄、拡大および変形した頭蓋骨、角膜混濁、関節拘縮、肝脾腫などの全身性障害であるMPS Iを引き起こす可能性があります。1981年から2003年の間、イングランドとウェールズにおけるMPS Iの有病率は100,000出生あたり1.07でした。現在、CHO細胞を用いて組換えヒトIDUA（hIDUA）を発現させる技術が、MPS I治療に広く使用されている酵素補充療法の開発に利用されています。

IDUAはグリコシダーゼ（GH）ファミリー39に属します。これまでに、細菌のGH39 β-キシロシダーゼ（XynB）の結晶構造が得られています。さらに、Thermoanaerobacterium saccharolyticum XynB（PDB IDコード1PX8）から構築されたhIDUAのホモロジーモデルが報告されており、植物種子で発現したアポ-hIDUAの結晶構造も得られています。しかし、哺乳類細胞で発現したhIDUAの構造データは、MPS Iの基盤をより深く理解し、新しい治療法を開発するためにまだ必要です。

図1. Hiduaによって触媒されるデマタン硫酸加水分解の反応スキーム（Maita, N.; et al. 2013）

hIDUAの全体構造

アポ-およびIdoA結合hIDUAの結晶構造が得られ、hIDUA酵素活性とN-糖鎖との関係の構造的基盤が明らかにされました。各非対称単位には2つのhIDUAサブユニットがあります。hIDUAは3つのドメインから構成されており、残基42-396は(β/α)8トリオースリン酸イソメラーゼ（TIM）バレルフォールドを形成し、残基27-42および397-545は短いヘリックス-ループ-ヘリックス（482-508）を持つβ-サンドイッチドメインを形成し、残基546-642はIg（Ig）様ドメインを形成します。後者の2つのドメインはC541とC577の間に位置するジスルフィド結合によって結合されています。比較の結果、hIDUAのTIMバレルとβ-サンドイッチドメインのトポロジー構造はXynBとほぼ同じですが、XynBのアミノ酸の長さはhIDUAよりも短く、C末端にはIg様ドメインが欠けています。マンノース残基（Man7）の先端は活性部位に達し、基質結合ポケットの一部を形成します。また、Y355とMan3の間に疎水性相互作用も観察されました。

図2. hIDUAのドメイン構成（Maita, N.; et al. 2013）

最近、hIDUAの2つの結晶構造がProtein Data Baseに公開されており、空間群はR3（PDB IDコード4JXO）およびP21（PDB IDコード4JXP）です。しかし、これらは最大6つの糖を含み、Man7が欠けている可能性があり、これは植物種子発現系の使用によるものかもしれません。IdoA結合hIDUA構造では、TIMバレルの中心にあるIdoA分子の電子密度を明確に観察します。アポとIdoA結合型の構造的違いは非常に小さく、D187の側鎖が活性部位に向かって反転し、Oδ2原子とN181のバックボーン酸素およびNδ原子の間に水素結合が形成されます。この変化は、IdoAのO2原子とN181のNδの間に緊密な水素ネットワークを作成する可能性があります。IdoAに結合したhIDUAの構造では、TIMバレルの中心に位置するIdoA分子の電子密度を明確に観察します。比較の結果、アポとIdoAの結合型の構造的違いは非常に小さく、D187の側鎖が活性部位に向かってわずかに反転し、水素結合を形成します。この変化は、IdoAのO2原子とN181のNδの間に緊密な水素ネットワークを作成する可能性があります。

図3. hIDUAの基質結合ポケット周辺の分子表面表現（サブユニットB）（Maita, N.; et al. 2013）