ポリリン酸キナーゼ

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はじめに

無機ポリリン酸（polyP）は、リン酸無水物結合によって結合された線状のP_iポリマーです。これは自然界のすべての細胞に存在し、研究によって前生物的な時代から保存されていた可能性が示されています。細菌におけるpolyPの重要性は完全に確認されています。栄養の制約や環境ストレスの下で、多くのグラム陰性細菌は迅速にpolyPを生成します。polyPは複数の機能を持ち、転写レベルでrpoSおよびrecAの発現を調節し、多くのストレス誘導性および静止期誘導性遺伝子の発現に影響を与えます。polyPはまた、Lonプロテアーゼを介してリボソームタンパク質の分解を調節します。  

これらの欠乏とストレス信号がどのようにpolyPの蓄積につながるかは明らかではありません。ポリリン酸キナーゼ（PPK、PPK1とも呼ばれる）は、ATPのγ-リン酸をpolyPに可逆的に変換する触媒反応を担当しています。主要なヒト病原体（例えば、Pseudomonas aeruginosa）におけるppk遺伝子の欠失実験は、細菌の病原性におけるpolyPとPPKの重要性を示しています。PPKは運動性、バイオフィルム形成、クオラムセンシングにも不可欠であり、病原体の抗生物質耐性に重要な貢献をしています。病原性因子の放出にもPPKの参加が必要であることは注目に値します。polyPは静止期の生存に必要であるため、PPK阻害剤は非増殖細菌の根絶に役立つ可能性があります。現在、E. coliのPPKは完全に特性が明らかにされた酵素となっています。精製された組換えPPKはpolyPの伸長を触媒し、polyP鎖が約750リン酸基に達すると触媒反応を終了します。

Escherichia coli PPKの全体構造

無結合型およびAMPPNP結合型のフルレングスE. coli PPKの結晶構造は、同じ結晶格子で2.5 Åの分解能で決定されました。結晶格子内の各非対称単位は、基本的に同じ構造を持つ2つのPPKモノマーを含み、擬似二重対称性によって関連し、相互に絡み合った二量体構造を形成しています。AMPPNPがPPKと結合すると、モノマーの立体構造はわずかに変化します。各PPKモノマーは4つのドメインを持つL字型の構造をしています。これらのドメインには、アミノ末端ドメイン、「ヘッド」ドメイン（Hドメイン）、および2つの密接に関連したカルボキシル末端ドメイン（C1およびC2ドメイン）が含まれます。Nドメインは残基2-106を含み、C末端ドメインの上面に位置する3本の逆平行な長いαヘリックスの束で構成されています。NドメインはPPKの高度に保存された領域であり、ATPのアデニン環の上部結合インターフェースを提供します。C1およびC2ドメインはそれぞれ残基322-502および503-687で構成され、PPKファミリーで高度に保存されています。ヘリックスとβシートは異なる構造的トポロジーと相対的な方向を持ち、酵素の触媒活性に不可欠な残基がこれらの2つのドメインに存在することが示されています。

図1. Escherichia coliポリリン酸キナーゼ（PPK）の全体構造 (Zhu, Y.; et al. 2015)

PPK自己リン酸化の化学メカニズム

PPKの自己リン酸化はポリリン酸合成の最初のステップであることが示されており、変異導入研究によりH435およびH454がPPKの自己リン酸化部位である可能性が示唆されています。PPK-AMPPNP結晶構造において、H435は「逆」位置からAMPPNPのγ-リン酸基と直接相互作用し、H454はC1ドメインの疎水性コアに完全に埋もれています。この結果は、H435がPPKの唯一の自己リン酸化部位であることを示す証拠を提供します。 一部の科学者は、PPKのH435がATPのγ-リン酸基のホスホジエステル結合を攻撃する求核剤として使用され、H592がβ-リン酸とγ-リン酸の間の酸素原子をプロトン化する一般酸として機能する可能性があると推測しています。C1およびC2ドメインには、E623とH435、D470とH592の間に重要な水素結合を形成する4つの高度に保存されたアミノ酸があります。D470の可能な役割は、一般酸H592を結合し、正しく配向させることです。このモデルは、変異体H435QおよびH592Qが自己リン酸化に失敗したという以前の生化学的研究の結果と一致しています。

図2. PPK自己リン酸化の提案された化学メカニズム (Zhu, Y.; et al. 2015)