SDH

ソルビトール脱水素酵素（SDH）は、ヒトではSORD遺伝子にコードされる細胞質酵素であり、中鎖脱水素酵素／還元酵素（MDR）ファミリーに属する。SDHは、補酵素としてNAD⁺を用い、アルドース還元酵素とともに、糖質代謝においてグルコースの糖アルコールであるソルビトールをフルクトースへ変換する。これはATPの関与なしにグルコースからフルクトースを産生する経路に寄与し、グルコース代謝における解糖系の重要なバイパスと位置付けられるとともに、糖尿病合併症の発症に重要な役割を果たすと考えられている。ソルビトールは細胞外へ拡散しにくく、またフルクトースへの酸化反応が遅いため、高血糖に起因するソルビトールの蓄積は、細胞内浸透圧の上昇による細胞腫脹を促進するだけでなく、糖尿病性白内障の発症にもつながる。触媒反応は以下のとおりである：

図1．SDHが触媒する反応。

ここで、Zn²⁺も触媒反応に関与する。SDHはまた、各種ポリオールおよびその他の二級アルコールを、それぞれ対応するケトンへ酸化することができる。SDHは細菌からヒトに至るまでほぼ普遍的に発現しており、特に肝臓および精嚢で高頻度に利用される。しかし、SDHは活性が不安定で半減期が短い。したがって、その実用性は限定的であり、解析は迅速に実施する必要がある。

構造

ヒトSDHの構造決定のため、分解能2.20 Åの結晶化実験およびX線回折解析が実施されており、SDHはA、B、C、Dの4つの同一鎖からなる。各鎖は14本のヘリックスからなる31%のαヘリックス構造と、23本のストランドからなる26%のβシート構造を有し、356残基および触媒部位を備える。MolProbityによるラマチャンドラン解析では、全残基の97.1%がfavored領域、100.0%がallowed領域に位置し、外れ値は認められない。触媒部位はセリンおよびヒスチジン残基の親水性側鎖を含み、触媒活性にはNAD⁺および亜鉛イオンの存在が必要である。保存された亜鉛結合モチーフおよび疎水性基質結合ポケットの観点から、SDHは哺乳類アルコール脱水素酵素と構造的相同性を有することも示されている。近年、SDHとアルコール脱水素酵素は全体として三次元構造が類似する一方で、両酵素の活性部位における亜鉛配位が異なることが明らかとなった。SDHに関する利用可能な構造学的・生化学的データは、糖尿病合併症の予防または治療を目的とした医薬品開発において、構造ベースアプローチへ活用されつつある。

SDHにおけるサブユニット間相互作用

SDHのサブユニット間の非共有結合性相互作用により四量体が形成され、4つの同一サブユニット間の疎水性相互作用、水素結合、ならびに静電相互作用から構成される。ホモ四量体タンパク質であるSDHでは、構造が単量体から二量体へ、さらに四量体の四次構造へと進化したと考えられている。タンパク質配列アラインメント、構造比較、エネルギー計算、ゲルろ過実験、酵素反応速度論実験など、複数の手法により、サブユニット間の水素結合ネットワークが四量体構造の安定性に重要であることが示されている。エネルギー獲得を伴わないSDHの一般的な結合過程は、サブユニット間の会合・解離速度から規定し得る。SDHタンパク質はアルコール脱水素酵素と近縁の進化的関係を有する。ギンヨウコナジラミ由来SDHおよび酵母由来アルコール脱水素酵素はいずれも構造亜鉛部位を欠き、四量体の四次構造を共有する。したがって、構造学的観点から、これら2種のタンパク質クラスは密接な進化的関係を示す。

図2．SDHにおける4つのサブユニット（A、B、C、D）の会合

機能

SDHの主要な用途の一つは、食事由来ソルビトールの代謝を補助することであり、これは体内の各種臓器機能にとって特に重要である。もっとも、ソルビトールは通常、食事中の含有量が極めて少なく、また関連化合物であるグルコースおよびフルクトースと同様に腸管での吸収が良好ではない。グルコースからフルクトースへのポリオール経路（解糖系）では、アルドース還元酵素がNADPHのNADP⁺への酸化を伴ってグルコースをソルビトールへ変換し、SDHがNAD⁺のNADHへの還元を伴ってソルビトールをフルクトースへ酸化する。ソルビトール経路は、ATPという形でのエネルギー投入を必要としない点で意義がある。過剰なグルコースは、グルタチオン産生に必須の補酵素であるNADPHの枯渇を引き起こす。

図3．SDHが関与するポリオール経路。（El-Kabbani O；et al. 2004）

コントロール不良の糖尿病では、網膜、水晶体、腎臓、神経細胞など、SDHの発現が低い、または欠如している組織に大量のグルコースが流入し、アルドース還元酵素によりソルビトールへ触媒変換される。その結果、ソルビトールが蓄積し、浸透圧上昇により水が細胞内へ引き込まれて組織機能が障害される。糖尿病で観察される網膜症、白内障形成、腎症、末梢神経障害といった症状は、この現象により一部誘発される。したがって、糖尿病合併症の発症への関与が示唆されることからSDHへの関心が高まっており、その三次構造は糖尿病治療薬探索を促進し得る。SDHは、肝細胞毒性の臨床化学検査パネルにおけるバイオマーカーとして含められることがあり、一般に肝臓特異的であるとみなされている。

参考文献