TMPK

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TMPK (EC 2.7.4.9、チミジン一リン酸キナーゼ)は転移酵素のクラスに属し、リン酸基転移酵素です。この酵素の系統名は ATP:dTMPリン酸転移酵素です。一般的に使用される他の名前には、チミジン一リン酸キナーゼ、チミジル酸キナーゼ、チミジル酸一リン酸キナーゼ、チミジル酸キナーゼ、デオキシチミジン5'-一リン酸キナーゼ、TMPK、およびチミジン5'-一リン酸キナーゼが含まれます。TMPKは、ATPとMg²⁺の存在下で、チミジン5’-一リン酸(dTMP)のリン酸化を触媒し、チミジン5’-二リン酸(dTDP)を生成します。dTDPは、ヌクレオシド二リン酸キナーゼ (NDK)によってさらにリン酸化され、チミジン5’-三リン酸 (dTTP)を生成します。TMPKの基質として、dTMPはサルベージ経路またはde novo 経路から供給されるため、TMPKはdTTP合成のde novo 経路とサルベージ経路の接点で作用します。

構造

TMPKはNMPキナーゼファミリーに属し、高度に保存されたフォールドを持っていますが、保存された配列は少ないです。TMPKはすべてホモ二量体であり、各サブユニットは中央に5本の平行なβストランドを囲む7-11本のαヘリックスで構成されています。TMPKは、リガンド誘導分解(LID)ドメイン、NMP結合部位、およびCOREドメインの3つのドメインを含んでいます。LIDドメインは柔軟で、リン酸供与体を部分的に囲み、リン酸基の転送を可能にします。COREドメインはリン酸結合ループ(Pループ)とATP結合部位で構成されています。Pループには基質認識と触媒に必要な構造要素が含まれ、PループはATPのαおよびβリン酸基に結合し、局在します。知られているすべてのTMPKは、類似のCOREドメインを持っています。

図1. TMPKの構造. (Cui Q. 2013)

TMPKは、活性部位の基本残基の位置に基づいて2つのタイプに分類されます。タイプI TMPKは主に真核生物由来であり、Pループの不変リジン事故に加えて基本残基を持っています。タイプII TMPKは主に原核生物由来であり、Pループには基本残基が欠けていますが、LIDドメインには類似の効果を持つ基本残基があります。M. tuberculosis TMPKはタイプIでもタイプIIでもないこと、またその触媒メカニズムも異なることは注目に値します。

触媒メカニズム

TMPKはヌクレオシド一リン酸キナーゼであり、ATPとMg²⁺の存在下でdTMPをdTDPに変換する触媒です: ATP + チミジン5'-リン酸 ⇌ ADP + チミジン5'-二リン酸。TMPKの基質として、dTMPは主にサルベージ経路とde novo合成経路から供給されるため、TMPKはサルベージ経路とde novo合成経路の接点に機能的に局在しています。dTMPのチミジン塩基は、Phe72とPループのヘリックス5によって作られた面の間に結合します。NMPファミリーの研究では、基質がNMP結合部位の構造変化を誘発することが発見され、酵素の触媒メカニズムに関連するTMPKのいくつかの構造状態が発見されました。リガンドが存在しない場合、TMPKはオープン状態であり、LIDドメインは無秩序です。dTMPが存在する場合、TMPKは部分的に閉じており、LIDドメインはほとんどの構造で無秩序です。両方の基質が共存する場合、TMPKは完全に閉じた状態であり、LIDドメインは秩序があります。触媒プロセス中、Pループの動きがオープン状態から閉じた状態への構造変化を引き起こし、ヌクレオシド三リン酸部分をリン酸受容体に近づけます。

図2. チミジル酸キナーゼの機能経路。(Lavie A. 2004)

図3. TMPKに結合したdTMPのメカニズム。(Lavie A. 2004)

応用

dTTP合成の重要な酵素として、TMPKはさまざまな疾患、特に感染症における潜在的な薬剤ターゲットとなる可能性があります。dTTP代謝を中断することは、そのような疾患の発展を防ぐために使用される可能性があります。患者が抗HIVヌクレオシド類似体AZTを服用した場合、最初にチミジンキナーゼによって3'-アジド-3'-デオキシチミジン一リン酸(AZTMP)にリン酸化されます。AZTMPはTMPKによって3'-アジド-3'-デオキシチミジン二リン酸(AZTDP)にさらにリン酸化されます。AZTMPはヒトTMPK(hTMPK)に対して貧弱な基質であるため、AZTDPへの変換は活性化プロセスにおける速度制限ステップです。最終的な活性化ステップは、塩基非特異的ヌクレオシド二リン酸キナーゼ(NDK)によって行われ、3'-アジド-3'-デオキシチミジン三リン酸(AZTTP)が形成されます。AZTTPは、リボースの3'-OHを置き換える3'アジド基を持ち、DNA合成を終了させるか、DNAポリメラーゼの阻害剤として作用してDNA合成をブロックします。hTMPKは、活性化プロセス全体の速度を制御する重要な酵素です。

TMPKの阻害は、細菌感染や寄生虫感染などの感染症薬の発見において効果的な戦略です。hTMPKと病原体TMPKの活性部位の微妙な違いは、選択的阻害剤を設計する機会を提供します。さらに、hTMPK阻害剤は、いくつかの複雑な癌疾患を治療するために抗癌剤と併用することができます。

参考文献

1. Cui, Q., Shin, W.S., Luo, Y., Tian, J., Cui, H., Yin, D. Thymidylate kinase: an old topic brings new perspectives. Curr Med Chem, 2013, 20(10):1286-305.
2. Lavie, A., Konrad, M. Structural requirements for efficient phosphorylation of nucleotide analogs by human thymidylate kinase. Mini Rev Med Chem, 2004, 4(4):351-9.