IGPD

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序論

ヒスチジンは動物にとって必須の食事性栄養素であり、植物および微生物ではde novoにより生合成される。したがって、生合成経路は除草剤開発における潜在的な標的となり得る。前駆体であるホスホリボシルピロリン酸からヒスチジンを合成する過程は、9種類の酵素により触媒される複雑なプロセスである。本経路の中間体の多くは不安定であるため、各段階の構造学的および機構的研究は困難である。イミダゾールグリセロールリン酸デヒドラターゼ（IGPD）は本経路の第6段階を触媒し、イミダゾールグリセロールリン酸（IGP）からイミダゾールアセトールリン酸への脱水反応を担う。トリアゾールプロピルホスホン酸誘導体を含む複数のIGPD阻害剤が同定されている。IGPDが触媒する反応は、IGPの脱離基となるC-2位水素が酸性ではないため、特異な分子機構を有する可能性がある。これに対し、多くの酵素触媒脱水反応では、隣接するカルボニル基またはイミン基の影響により脱離水素は比較的酸性である。

真菌、植物、古細菌および一部の真正細菌におけるIGPDは単機能酵素である。その他の真正細菌では、IGPDがヒスチジン生合成における終末から2番目の酵素であるヒスチジンリン酸ホスファターゼと融合した二機能性酵素がコードされている。金属イオンはIGPD触媒に必須であるが、その機構は依然として不明である。金属非存在下では、植物および真菌のIGPDは安定な不活性三量体として存在する。Mn²⁺は凝集を誘導し、24量体とみられる触媒活性型へと変換させる。予備的研究から、酵母IGPDは分子八面体対称性を有する24量体として結晶化し、溶液中での凝集状態と整合することが示唆されている。しかし、立方晶の回折能が不十分であったため、構造決定には至らなかった。

IGPDフォールド：遺伝子重複と希少な構造モチーフの特異な配置

IGPDポリペプチドは単一ドメインを形成し、4本のαヘリックス束が、4本鎖βシート（β1-β2-β4-β3およびβ5-β6-β8-β7）に挟まれた構造からなる。本フォールドは内部反復を有する。ハーフドメインのモチーフには、稀な左巻きクロスオーバーが含まれる。F. neoformans IGPDの残基1–93と94–202の配列同一性は19%である。内部反復において最も保存されている特徴は、ループβ3-α1（残基69–75）およびβ8-α4（残基165–171）に存在する（D/N）XHHXXEモチーフである。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関与を示唆する。遺伝子重複はヒスチジン生合成酵素に共通して繰り返し見られるテーマである。IGPD脱水反応の最初の2段階を触媒する酵素であるホスホリボシルホルムイミノ-5-アミノイミダゾールカルボキサミドリボチドイソメラーゼおよびイミダゾールグリセロールリン酸シンターゼも内部反復特性を有し、同様の遺伝子重複を介して機能し、融合イベントから進化したと考えられている。これらの酵素は互いに相同であるが、IGPDとは関連しない。

Protein Data Bankに対するトポロジー検索に基づき、構造データベース上ではIGPDと同様のフォールドを有するタンパク質は見出されなかった。しかし、IGPDのハーフドメインと同一のトポロジーを有するサブドメインを含むタンパク質はいくつか存在する。このフォールドは当初、核酸結合タンパク質の一部で同定された。近年、ハーフドメインは複数の他タンパク質でも見出され、GHMPキナーゼスーパーファミリーに保存された構造的特徴であることが示されている。IGPDのN末端またはC末端のハーフドメインは、これらのいずれのタンパク質とも6–12%の配列同一性を共有しており、両者の間に極めて古い進化的関係が存在することを示唆する。

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は三量体として結晶化し、これは金属非存在下の溶液中における四次構造と一致する。結晶化溶液中にMn²⁺が存在したにもかかわらず、結晶構造にMn²⁺の結合が認められないことは、三量体凝集と整合的である。界面が大きく疎水性が高いことから、結晶中の三量体は溶液中の三量体に対応すると推定される。各モノマーの表面積の約15%がサブユニット界面に埋没している。広範なサブユニット間接触により、内側のC末端βシートは外側のN末端βシートよりも秩序化されている。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）ならびに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する。三量体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の側鎖が関与し、さらに硫酸イオンを介した塩橋として、一方のサブユニットのArg-97と、別サブユニットのLys-175およびHis-53との相互作用が含まれる。三量体の上面には円錐状の極性陥凹が存在し、18個の秩序化水分子で満たされている。

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