IGPD

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はじめに

ヒスチジンは動物にとって必須の食事栄養素であり、植物や微生物によってde novo合成されます。したがって、バイオ合成経路は除草剤開発の潜在的なターゲットです。ヒスチジンの前駆体であるホスホリボシルピロリン酸からの合成は、9つの酵素によって触媒される複雑なプロセスです。この経路の中間体のほとんどは不安定であり、個々のステップの構造的および機構的研究を困難にしています。イミダゾールグリセロール-リン酸脱水素酵素（IGPD）は経路の第6ステップを触媒し、イミダゾールグリセロールリン酸（IGP）をイミダゾールアセトールリン酸に脱水する役割を担っています。いくつかのIGPD阻害剤が特定されており、トリアゾールプロピルホスホン酸の誘導体が含まれています。IGPDによって触媒される反応は、IGPのC-2水素が酸性でないため、異常な分子メカニズムを持つ可能性があります。対照的に、ほとんどの酵素触媒脱水反応における離脱水素は、隣接するカルボニルまたはイミン基のために比較的酸性です。

真菌、植物、古細菌および一部の真正細菌におけるIGPDは単機能です。他の真正細菌は、IGPDがヒスチジンバイオ合成における最後から2番目の酵素であるヒスチジン-リン酸ホスファターゼに融合した二機能酵素をコードしています。金属イオンはIGPD触媒にとって重要ですが、メカニズムは不明のままです。金属が存在しない場合、植物および真菌のIGPDは安定した不活性トリマーです。Mn²⁺は触媒活性型の24-merに集積を誘導します。予備研究では、酵母IGPDが分子八面体対称性を持つ24-merとして結晶化することが示されており、これは溶液中の集積状態と一致しています。しかし、立方体結晶の回折があまりにも悪いため、構造は決定できませんでした。

IGPDフォールド：遺伝子重複と希少な構造モチーフの独特な配置

IGPDポリペプチドは、4本のαヘリックスの束からなる単一のドメインを形成し、4本のβシート（β1-β2-β4-β3およびβ5-β6-β8-β7）に挟まれています。このフォールドは内部繰り返しを持っています。ハーフドメインモチーフには、希少な左手型クロスオーバーが含まれています。F. neoformans IGPDの残基1-93および94-202の配列は19%同一です。内部繰り返しの最も保存された特徴は、ループβ3-α1（残基69-75）およびβ8-α4（残基165-171）における(D/N)XHHXXEモチーフです。配列および構造要素の重複は、IGPDの進化における遺伝子重複の存在を示唆しています。遺伝子重複はヒスチジンバイオ合成酵素における繰り返しのテーマです。IGPD脱水反応の最初の2ステップを触媒する酵素であるホスホリボシルフォルミミノ-5-アミノイミダゾールカルボキサミドリボチド異性化酵素およびイミダゾールグリセロールリン酸合成酵素も内部繰り返し特性を持ち、類似の遺伝子重複を通じて機能し、融合イベントから進化したと考えられています。これらの酵素はホモログですが、IGPDとは関連していません。

Protein Data Bankのトポロジー検索に基づくと、構造データベースはIGPDのようなフォールドを持つタンパク質を見つけませんでした。しかし、いくつかのタンパク質はIGPDハーフドメインと同じトポロジーを持つサブドメインを持っています。このフォールドは、いくつかの核酸結合タンパク質で最初に特定されました。最近、ハーフドメインは他のいくつかのタンパク質でも見つかり、GHMPキナーゼスーパーファミリーの保存された構造的特徴です。IGPDのN末端またはC末端ハーフドメインは、これらのタンパク質のいずれかと6-12%の配列同一性を共有しており、非常に古い関係を示唆しています。

図1. IGPDのポリペプチドフォールド (Sinha, S.C.; et al. 2004)

結晶中の四次構造

IGPDはトリマーとして結晶化し、これは金属フリー溶液におけるその四次構造です。結晶化溶液中にMn²⁺が存在するにもかかわらず、トリマーの集積は結晶構造に結合したMn²⁺がないことと一致しています。界面の大きなサイズと疎水性の特性により、結晶トリマーは溶液トリマーに対応すると推測されます。各モノマーの表面積の約15%がサブユニット界面に埋まっています。内側のC末端βシートは、広範なサブユニット接触のため、外側のN末端βシートよりも秩序が高いです。疎水性側鎖（Leu-179、Tyr-98、Tyr-100、Tyr-102、Ala-103、Pro-104、Leu-109、Val-113、Ile-161、Met-183）およびArg-182、Lys-96、Arg-111の脂肪族部分がサブユニット間に疎水性コアを形成します。トリマーの底面は正に帯電しており、この表面でのサブユニット間接触には、Tyr-98およびLys-175の側鎖と、1つのサブユニットのArg-97と他のサブユニットのLys-175およびHis-53との間の硫酸塩媒介の塩橋が含まれています。トリマーの上面には円錐形の極性の凹みがあり、18の秩序した水分子で満たされています。

図2. IGPDの四次構造 (Sinha, S.C.; et al. 2004)