ニトロレダクターゼ

関連する読書

イントロダクション

酵素スーパーファミリーには相同酵素が含まれ、特定の選択的活性部位の特性や特定の機械的特性を共有していますが、さまざまな機能を示します。スーパーファミリー内の機能的な違いを理解することは、基礎生物科学における深い問題です。酵素の機能は、それが機能する代謝経路の適応要件によって駆動される逐次的な方法で進化するのでしょうか？酵素スーパーファミリーの機能的分化のメカニズムを解明することは非常に難しいです。このプロセスは約数十億年にわたる進化の歴史の中で発生したからです。

酵素スーパーファミリーは通常、多くの異なる機能ファミリーで構成されています。機能ファミリーの配列は非常に異なります。ペアワイズ配列同一性は10%未満である可能性があり、既存の配列情報は広く分散しています。さらに、スーパーファミリー内の大多数の酵素は未特性化のままです。スーパーファミリーは通常、20,000以上の配列を含み、この大規模なデータセットの研究は、重要な多様性を持つため、より高度な技術を必要とします。

その後、バイオインフォマティクス分析を通じて、科学者たちは多様なフラビンモノヌクレオチド（FMN）依存性ニトロレダクターゼ（NTR）スーパーファミリーの問題を解決しました。NTRスーパーファミリーは、約25億年の進化の歴史を持つ古代のスーパーファミリーで、20,000以上の配列を含んでいます。このファミリーは、数十年前に最初に特性化されたニトロ還元反応にちなんで名付けられました。しかし、ニトロ還元に加えて、NTRスーパーファミリーは脱水素化、脱ハロゲン化、フラビン断片化など、さまざまな反応を触媒することもできます。など。

NTRはα+βフォールドを形成し、フラビンの大部分に非共有結合で結合します。NTRは通常、2つのモノマーサブユニットからなるホモ二量体です。二量体インターフェースで2つのFMN結合活性部位が形成されます。両方のモノマーは活性部位にとって重要です（図1A）。他のフラビン結合タンパク質と比較して、二量体化はNTRスーパーファミリーにおけるFMN結合と酵素機能に不可欠です。NTRは通常、ニコチンアミド補因子を使用して結合したFMNに電子を供給し、次に還元半反応で下流の電子受容体に転送するping-pong bi-bi酸化還元反応メカニズムを採用します（図1BおよびC）。

図1. NTRスーパーファミリーの構造と反応の多様性の概要 (Akiva, E.; et al. 2017)

NTRスーパーファミリー内の配列多様性のグローバルビュー

NTRスーパーファミリー内の配列多様性を研究するために、科学者たちは公共データベースからスーパーファミリーに関連する非冗長なすべての利用可能な配列と構造のセットを収集しました。このデータセットには、150から1,580 aaの長さの24,270の非冗長NTR配列が含まれています。これらすべての配列間の類似性は、「all-vs.-all」BLASTを使用して計算され、SSNが結果情報を視覚化するために使用されます。 

図2のSSNは、>60%のペアワイズ配列同一性を共有する配列セットを示すノード（円）を示しています。この類似性のレベルは、単一の代表ノード内の配列が統計的に有意に整列でき、全体のスーパーファミリーの視覚化を可能にします。しかし、60%の同一性レベルは、異なる機能を持つ酵素を単一の代表ノード内に凝縮することもできます。

図2. NTRスーパーファミリーの代表的なSSN (Akiva, E.; et al. 2017)

NTRスーパーファミリーの機能的多様性は未知のまま

多くの研究は、スーパーファミリーの選ばれた少数のメンバーの詳細な生化学的および構造的特性評価に焦点を当てていますが、バイオインフォマティクスの包括的な分析は、NTRスーパーファミリー内の酵素の99%が実験的に特性化されていないことを示しています。 さらに、異なるサブグループにおける機能的および/または構造的情報を持つ配列の割合は不均一です。たとえば、SagBサブグループの配列はほとんど特性化されていません。このサブグループは大きく多様で（平均配列同一性は32%未満）、異なる基質および触媒特異性を持つ小さな「サブサブグループ（SSGs）」を含む可能性があります。同様に、NfsAおよびNfsBサブグループでは平均配列同一性が40%未満です。現在、2,632のNfsBサブグループ配列のうち18、2,299のNfsAサブグループ配列のうち20が特性化されており、総数の約1%です。