ケトール酸レダクトイソメラーゼ

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ケトール酸イソメロレダクターゼ（KARI）は、分岐鎖アミノ酸（BCAA）生合成経路における第2の重要酵素である。KARIは、2-アセト乳酸を2,3-ジヒドロキシ-3-メチル酪酸へ、また2-アセト-2-ヒドロキシ酪酸を2,3-ジヒドロキシ-3-メチル吉草酸へ変換し、それぞれバリンまたはイソロイシンの生合成に寄与する。さらに、2-アセト乳酸を2,3-ジヒドロキシイソ吉草酸へ変換してロイシンの生合成に関与する。

遺伝子

KARIはilvC遺伝子によりコードされ、分子量に基づき2種類に分類される。タイプI KARIは約340アミノ酸残基からなり、結核菌（Mycobacterium tuberculosis）、緑膿菌（Pseudomonas aeruginosa）および一部植物（例：シュガービート、イヌホオズキ）などに主として存在する。KARIは基質のS体に対して高い立体特異性を示し、触媒反応は2段階から構成される。まずアルキル転位過程として、C2位のメチル基またはエチル基がC3位へ移動し、α-ケト-β-ヒドロキシ酸中間体を生成する。次いで還元過程として、NAD(P)Hを用いてケト酸を還元し、C2位ヒドロキシ体生成物を与える。

KARIタンパク質構造および活性部位の研究

KARIの活性部位はNドメインおよびCドメインの2つの構造ドメインの界面に位置し、必須補因子として2個のMg²⁺およびNADPHを結合する。Nドメインは8本の鎖から構成され、各鎖は両側にαヘリックスを伴うβフォールドからなり、ヌクレオチド結合性のロスマンフォールドを形成する。Cドメインは8本のαヘリックスから構成され、ノット状構造を形成する。MtKARIの結晶構造解析により、溶液中で二量体として存在し、この二量体構造が活性部位を形成することが示された。活性部位は二量体の一方のサブユニットのNドメインとCドメイン、ならびに他方のサブユニットのCドメインにより構成され、この特徴は他のタイプI KARIでも観察される。

特性

KARIの触媒反応にはNAD(P)Hに加え、金属イオンも重要な補因子として関与する。KARIは補因子としてMg²⁺を選好し、触媒反応のアルキル転位段階において厳密なMg²⁺依存性を示す。BCAA生合成経路における重要酵素の一つとして、KARIは有効な抗菌薬および除草剤のスクリーニング標的としても利用されてきた。KARIが触媒する基質から生成物への変換における遷移状態アナログであるIpOHAは、除草剤としての検討に加え、一定の抗微生物活性も示すことが報告されている。

KARI阻害剤

AHASが抗菌薬および除草剤の標的として成功していることを踏まえると、BCAA経路の他の酵素も高いポテンシャルを有する可能性がある。KARI触媒反応における基質から生成物への変換の遷移状態アナログである2-ジメチルホスホノ-2-ヒドロキシ酢酸（Hoe704）およびN-イソプロピルオキサリルイソヒドロキサム酸（IpOHA）は、KARI活性を効果的に阻害し、強力かつ不可逆的な競合阻害剤である。阻害機序としては、中間体アナログが酵素の活性部位に結合することで不可逆的な酵素—阻害剤複合体の形成を誘導し、時間依存的に酵素を不活化する。