UO

尿酸オキシダーゼ（UO、EC 1.7.3.3。ウリカーゼとも呼ばれる）は、プリン分解経路におけるペルオキシソーム酵素であり、分子状酸素を用いて尿酸を酸化し、不活性かつ可溶性の代謝産物であるアラントインへと変換することで、多くの哺乳類において尿酸の蓄積を防ぐ。この反応では、5-ヒドロキシイソ尿酸および過酸化水素が生成される。本酵素は多くの生物に広く存在する一方、ヒトおよび一部の他の霊長類では検出されず、これは独立したナンセンス変異またはフレームシフト変異により類人猿UO遺伝子が不活化された結果である可能性がある。尿酸は強力な抗酸化能を有し、フリーラジカルの減少および加齢に伴うがん発生の低下につながり得ることから、尿酸が類人猿を酸化障害から保護し寿命延長に寄与する重要な役割を担うとの仮説が提唱されている。しかし、UOの欠如は血漿中尿酸濃度の上昇を引き起こし、致死的となり得る。UOは当初、真菌Aspergillus flavusから抽出されたが、現在では研究および医療目的でSaccharomyces cerevisiaeにより広く発現されている。UOは、補因子および特定の金属イオンを必要としない独特の触媒機構を有し、その一般的な反応過程を以下に示す。

図1．プリン分解経路。

構造

UOは主として肝臓に分布し、同一サブユニットからなるホモ四量体として存在する。4つの活性部位は4サブユニット間の二量体界面に位置し、多くのペルオキシソーム内で電子密度の高い大きな準結晶性コアを形成する。A. flavus由来UOは301残基からなり、分子量は33,438ダルトンである。複数生物種由来UOの配列解析から、UOにおいて24個のアミノ酸が保存されており、そのうち15個は活性部位に関連することが示されている。

UOの統合機能構造は135 kDaのホモ四量体であり、高さ7 nm、内半径0.6 nm、外半径3 nmの樽状構造を呈する。UOの4つの同一活性部位はモノマー間で形成される二量体界面に存在し、機能未同定の中央空隙トンネルも認められている。各モノマーは301アミノ酸残基から構成され、構造的に等価な2つのドメインを有する。これらのドメインは、凹面側に2本のヘリックスを伴う4本鎖の長い逆平行βシートからなり、「トンネリングフォールド」ドメインと呼ばれる。これによりUOはトンネル状タンパク質の拡大家系に分類される。各モノマーの2つのトンネリングフォールドドメインは集合して8本鎖の長い逆平行βシートを形成し、4本のヘリックスはいずれもシートの凹面側に位置する。二量体はα8β16バレルを形成し、その外表面は8本のヘリックスにより占められる。

作用機序

UOは、尿酸をS-(+)-アラントインへ変換する経路の最初の酵素である。UOにより尿酸が5-ヒドロキシイソ尿酸へ変換された後、5-ヒドロキシイソ尿酸（HIU）はHIUヒドロラーゼにより2-オキソ-4-ヒドロキシ-4-カルボキシ-5-ウレイドイミダゾリン（OHCU）へ触媒され、最終的に2-オキソ-4-ヒドロキシ-4-カルボキシ-5-ウレイドイミダゾリン脱炭酸酵素（OHCUデカルボキシラーゼ）を介してS-(+)-アラントインへ至る。HIUは、HIUヒドロラーゼおよびOHCUデカルボキシラーゼが関与しない場合、自然分解によりラセミ体アラントインへと分解する。

UOの活性部位内には触媒部位が存在し、尿酸およびその類縁体を同一配向で保持するとともに、酸素、水、過酸化水素が順次作用する共通触媒部位を有する。本機構では過酸化水素が酸素へと逆変換され、さらに過酸化水素および水が共通触媒部位を順次通過する。活性部位内の2残基（Arg176およびGln228）は、基質尿酸（モノアニオン）との水素結合に寄与し、尿酸は脱プロトン化によりジアニオンとなった後、UOのArg176およびGln228により安定化される。続いて、酸素が尿酸ジアニオンから電子対を受け取り、還元されて過酸化水素となる。過酸化水素は水に置換され、水が中間体に対して求核攻撃を行うことで5-ヒドロキシイソ尿酸が生成される。UOは、阻害剤と尿酸との間のアニオン-π相互作用により、シアン化物イオンおよび塩化物イオンの双方によって阻害され得る。

図2．尿酸オキシダーゼの提案機構。（Gabison L; et al. 2008）

機能

UOは、細菌、真菌、酵母、および一部の哺乳類を含む特定の生物において、尿酸濃度の過剰な蓄積を防止し得る。UOが機能を発揮する正確な機序は未解明であるが、前述のプロトン移動が触媒反応に関与する点については見解が一致している。

UOはまた、マメ科植物の根粒において窒素固定が起こり、固定窒素が代謝産物へ変換されるウレイド経路においても必須である。最終的に生成した代謝産物は根から植物体全体へ輸送され、アミノ酸生合成に必要な窒素源を供給する。

さらに、尿酸は強力な抗酸化物質であり、一重項酸素およびラジカルのスカベンジャーとして酸化障害から生体を保護し、寿命延長ならびに加齢関連がんの発生率低下に寄与することから、UO遺伝子発現の喪失はヒト科にとって有利であるとの仮説も提唱されている。

医学的意義

高尿酸血症は、哺乳類において痛風および悪性腫瘍と最も一般的に関連し、特に急速な細胞回転およびプリン代謝亢進に起因するリンパ系悪性腫瘍を有する症例で顕著である。UOは、化学療法を受ける患者および移植を受けた患者における急性高尿酸血症の予防および治療のための有効なタンパク質医薬として開発されている。UOは迅速かつ安全な有効性を示し、血漿中尿酸濃度を急速に低下させる。しかし、5-ヒドロキシイソ尿酸をアラントインへ分解する経路における後続酵素であるHIUヒドロキシラーゼが欠損している患者では、HIUの毒性作用によりUO治療が潜在的に有害となり得る。

移植片対宿主病（GVHD）は、同種造血幹細胞移植に伴うことの多い随伴性有害事象であり、ドナーT細胞が宿主組織を攻撃することにより惹起される。尿酸はT細胞応答を増強し得るため、関連する臨床試験により、UOを投与して患者の尿酸濃度を抑制することで、結果としてGVHDの発症可能性を低減し得ることが示されている。

参考文献