無機ピロリン酸加水分解酵素

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はじめに

無機ピロリン酸加水分解酵素（PPase）は、無機ピロリン酸（PPi）の細胞内濃度を制御する重要な役割を果たす必須酵素です。PPiは、核酸やタンパク質の合成などの生合成反応の副産物として大量に生成され、その濃度はこれらの生理的反応の細胞内恒常性に影響を与えます。PPaseは、対称的なピロリン酸（PPi）基質を2つの無機リン酸（Pi）分子に加水分解する最も単純なリン酸転移反応を触媒します。4つの異なるPPaseクラス（膜貫通型M PPaseおよび可溶性ファミリーI、ファミリーII、ファミリーIII PPase）の中で、ファミリーIII S-PPaseは広範に特性が明らかにされておらず、いくつかの細菌種にのみ存在します。したがって、他の3つのPPaseファミリーは、主にまたは完全にピロリン酸加水分解酵素触媒に専念した酵素ソリューションを表しています。

共通点と相違点

酵素ファミリー、pH、およびPPi濃度に応じて、PPaseによる触媒反応には3つまたは4つの金属イオンが必要とされる場合があります。触媒反応は、離脱基の活性化と効果的なヌクレオフィル生成に基づいており、酵素-リン酸中間体が存在しない状態で進行します。これは、触媒反応が無機金属リン酸ケージ内で行われ、タンパク質の側鎖は主に補助的な役割を果たすことを示唆しています。ピロリン酸の加水分解に関して、さまざまな酵素間の3つの大きな違いは、2つの阻害剤（フッ化物およびジホスホネート、特にアミノメチレンジホスホネート（AMDP））に対する異なる反応と、望ましい二価カチオンのタイプです。触媒反応において、M-PPaseは最も遅く（kcat≈10s^-1）、ファミリーI PPaseは約1桁高い（kcat≈200s^-1）、ファミリーII酵素はファミリーI酵素の活性よりも1桁高い（kcat≈2000s^-1）です。

可溶性PPase、特にファミリーI酵素は、詳細な構造および機能情報が利用可能であるため、よりよく理解されたリン酸転移酵素を表しています。ファミリーIおよびファミリーII PPaseの生物学的機能は同一であり、唯一の目的はピロリン酸を除去することです。しかし、それらの配列と構造は無関係であり、メカニズムは異なるようです。膜貫通型PPase（M-PPase）は、可溶性の対応物とは非常に異なります。M-PPaseは、可溶性PPaseよりも広範な生物学的機能を持ち、さまざまな低エネルギーのストレス条件下で植物や細菌の生存に寄与します。

表1. PPaseの選択された動的特性とF^-およびAMDPによる阻害

可溶性ピロリン酸加水分解酵素の構造とメカニズム

1952年に初めて結晶化されたファミリーI PPaseは、特にEscherichia coli（EPPase）およびSaccharomyces cerevisiae（YPPase）からのPPaseが広範に研究されています。ファミリーI PPaseはすべての生物界に存在し、保存された5本のストランドを持つOBフォールドβバレルをコアに持つコンパクトな単一ドメイン構造に折りたたまれ、活性部位はその上部に位置しています。真核生物の酵素は通常二量体として存在し、細菌の酵素は通常六量体です。ファミリーI PPaseの配列保存は、活性部位の20の荷電および親水性残基を超えてほとんど拡張しませんが、保存されたD-(S/G/N)-D-P-ali-D-ali-aliモチーフ（ali = C/I/L/M/V）によって信頼性高く同定できます。ファミリーI PPaseの触媒の際立った特徴は、基質中のすべての孤立対が配位されていることと、PPiの加水分解が、PPiの電気親和性リン酸部分が活性化された水分子のヌクレオフィルによって攻撃される結合的メカニズムを介して進行することです。

図1. ファミリーI酵母PPase（YPPase、左）（1E6A）、ファミリーII B. subtilis PPase（BsPPase、中央）（2HAW）およびH⁺-ポンピングムング豆PPase（VrPPase、右）の基質結合構造の全体的なリボンビューの比較（Kajander, T.; et al. 2013）

ファミリーII PPaseは、特にBacilliおよびClostridiaを含む細菌および古細菌系統に存在し、いくつかのヒト病原体を含みます。ファミリーII PPaseはファミリーI PPaseとは構造的に異なり、これらのホモ二量体の二ドメインタンパク質は「DHH」リン酸加水分解酵素スーパーファミリーに属し、DHHは金属イオン結合特異性に重要なN末端ドメインの保存されたアスパラギン酸-ヒスチジン-ヒスチジンモチーフを指します。ファミリーII PPaseの活性部位は、N末端DHHドメインとC末端DHHA2ドメインの間に位置しています。前述のように、ファミリーII PPaseは金属イオンMn²⁺またはCo²⁺の存在下で最高の触媒活性を示します。遷移金属の結合および動的特性は、活性部位の構造に基づいて説明できます。

図2. YPPase（左）、BsPPase（中央）、VrPPase（右）の加水分解部位の比較、3つの酵素間の詳細な活性部位幾何学の違いを強調（Kajander, T.; et al. 2013）