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（transferase）に属し、リン酸基転移酵素である。本酵素の系統名はATP:dTMPホスホトランスフェラーゼである。一般に用いられる別名として、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（チミジル酸）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、チミジン5′-一リン酸キナーゼがある。TMPKは、ATPおよびMg²⁺存在下でチミジン5′-一リン酸（dTMP）をリン酸化し、チミジン5′-二リン酸（dTDP）を生成する。dTDPはさらにヌクレオシド二リン酸キナーゼ（NDK）によりリン酸化され、チミジン5′-三リン酸（dTTP）となる。TMPKの基質であるdTMPはサルベージ経路またはde novo経路に由来するため、TMPKはdTTP合成におけるde novo経路とサルベージ経路の接合点で機能する。

構造

TMPKはNMPキナーゼファミリーに属し、フォールドは高度に保存されている一方で、配列の保存性は比較的低い。TMPKはすべてホモ二量体であり、各サブユニットは中央の5本の平行βストランドを取り囲む7～11本のαヘリックスから構成される。TMPKは3つのドメイン、すなわちリガンド誘導性分解（LID）ドメイン、NMP結合部位、およびCOREドメインを有する。LIDドメインは柔軟で、リン酸供与体を部分的に取り囲み、リン酸基転移を可能にする。COREドメインはリン酸結合ループ（P-loop）およびATP結合部位からなる。P-loopは基質認識および触媒反応に必要な構造要素を含み、ATPのαおよびβリン酸基に結合して局在化させる。既知のTMPKはいずれも類似したCOREドメインを有する。

図1. TMPKの構造（Cui Q. 2013）

TMPKは、活性部位における塩基性残基の位置に基づき2種類に分類される。I型TMPKは主として真核生物由来で、P-loop中の不変リジン残基に加えて塩基性残基を有する。II型TMPKは主として原核生物由来で、P-loopに塩基性残基を欠く一方、同様の効果をもつ塩基性残基をLIDドメインに有する。なお、結核菌（M. tuberculosis）のTMPKはI型にもII型にも該当せず、触媒機構も異なる。

触媒機構

TMPKはヌクレオシド一リン酸キナーゼであり、ATPおよびMg²⁺存在下でdTMPをdTDPへ変換する反応を触媒する：ATP + チミジン5′-リン酸 ⇌ ADP + チミジン5′-二リン酸。TMPKの基質であるdTMPは主としてサルベージ経路およびde novo合成経路に由来するため、TMPKは機能的にサルベージ経路とde novo合成経路の接合点に位置付けられる。dTMPのチミジン塩基はPhe72と、P-loopのヘリックス5が形成する面との間に結合する。NMPファミリーの研究から、基質がNMP結合部位のコンフォメーション変化を誘導することが示され、酵素の触媒機構に関連するTMPKの複数のコンフォメーション状態が見出されている。リガンド非存在下ではTMPKは開状態であり、LIDドメインは無秩序である。dTMP存在下ではTMPKは部分的閉状態となり、多くの構造でLIDドメインは無秩序のままである。両基質が共存する場合、TMPKは完全閉状態となり、LIDドメインは秩序化される。触媒過程ではP-loopの運動により開状態から閉状態へのコンフォメーション変化が生じ、ヌクレオシド三リン酸部分がリン酸受容体に近接する。

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の機構（Lavie A. 2004）

応用

dTTP合成における鍵酵素として、TMPKは多様な疾患、特に感染症における潜在的な創薬標的となり得る。dTTP代謝を阻害することにより、これら疾患の進展抑制に応用できる可能性がある。患者が抗HIVヌクレオシド類似体AZTを服用した場合、まずチミジンキナーゼにより3′-アジド-3′-デオキシチミジン一リン酸（AZTMP）へリン酸化される。AZTMPはさらにTMPKにより3′-アジド-3′-デオキシチミジン二リン酸（AZTDP）へリン酸化される。AZTMPはヒトTMPK（hTMPK）に対する基質適性が低いため、AZTDPへの変換が活性化過程における律速段階となる。最終活性化段階は、塩基非特異的ヌクレオシド二リン酸キナーゼ（NDK）により3′-アジド-3′-デオキシチミジン三リン酸（AZTTP）を形成することで進行する。AZTTPはリボースの3′-OHが3′アジド基に置換されているため、DNA合成を終結させる、またはDNAポリメラーゼ阻害剤として作用してDNA合成を阻害する。hTMPKは、この活性化過程全体の反応速度を制御する重要な酵素である。

TMPK阻害は、細菌感染や寄生虫感染などの感染症治療薬探索における有効な戦略である。hTMPKと病原体TMPKの活性部位における微細な差異は、選択的阻害剤設計の機会を提供する。さらに、hTMPK阻害剤は、一部の複雑ながん疾患に対して抗がん剤との併用療法として用いられる可能性がある。

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.