アロステリック制御

生化学および薬理学の分野において、アロステリック調節因子（またはアロステリックモジュレーター）とは、酵素または受容体の活性部位とは異なる部位に結合し、タンパク質の活性を変化させる構造変化を引き起こし、その機能を強化または阻害する物質である。対照的に、酵素の活性部位または受容体の内因性リガンドの結合部位に直接結合する物質は、オルソステリック調節因子またはモジュレーター と呼ばれる。

エフェクターが結合する部位は、アロステリック部位または調節部位と呼ばれます。アロステリック部位はエフェクターがタンパク質に結合することを可能にし、多くの場合、構造変化やタンパク質ダイナミクスの変化をもたらします。^{[1] [2]タンパク質の活性を高めるエフェクターは}アロステリック活性化因子と呼ばれ、タンパク質の活性を低下させるエフェクターはアロステリック阻害剤と呼ばれます。

アロステリック制御は、下流の産物からのフィードバックや上流の基質からのフィードフォワードなどの制御ループの自然な例です。長距離アロステリーは細胞シグナル伝達において特に重要です。^{[3]アロステリック制御は、}細胞の酵素活性を調整する能力においても特に重要です。

アロステリーという用語は、古代ギリシャ語の allos ( ἄλλος )、「その他」、およびstereos ( στερεός )、「固体 (物体)」に由来します。これは、アロステリックタンパク質の調節部位が活性部位とは物理的に異なるという事実に関連しています。アロステリーは、酵素の活性化に構造変化を必要としない基質提示とは対照的です。オルソステリーという用語は、古代ギリシャ語のorthós ( ὀρθός )、「まっすぐな」、「直立した」、「正しい」、「正しい」を意味する語に由来します。

1. 結合部位: オルソステリック阻害剤は、基質が通常結合する酵素の活性部位に直接結合します。
2. 作用機序: これらの阻害剤は活性部位を占有することで基質の結合を防ぎ、酵素の触媒活性を直接阻害します。
3. 競合阻害: ほとんどのオルソステリック阻害剤は活性部位をめぐって基質と競合するため、基質濃度が増加するとその効果は低下する可能性があります。

1. 結合部位: アロステリック阻害剤は、アロステリック部位と呼ばれる、活性部位とは別個の酵素上の部位に結合します。
2. 作用機序: アロステリック部位への結合により酵素の構造変化が誘発され、活性部位の基質に対する親和性が低下するか、酵素の触媒活性が変化する可能性があります。この間接的な干渉により、基質が存在する場合でも酵素の機能が阻害される可能性があります。
3. 非競合阻害: アロステリック阻害剤は非競合阻害を示すことが多く、その阻害効果は基質濃度に依存しません。

多くのアロステリック効果は、モノ、ワイマン、およびチェンジーによって提唱された協調 MWC モデル^[4]、またはコシュランド、ネメシー、およびフィルマーによって記述されたシーケンシャル モデル(KNF モデルとしても知られる)によって説明できます。 ^[5] どちらも、タンパク質サブユニットが緊張状態 (T) または緩和状態 (R)の 2 つのコンフォメーションのいずれかで存在し、緩和状態のサブユニットは緊張状態のサブユニットよりも基質に容易に結合することを仮定しています。 2 つのモデルは、サブユニットの相互作用と両方の状態が事前に存在することに関する仮定が最も異なります。サブユニットが2 つ以上のコンフォメーションで存在するタンパク質については、クエンデット、ワインスタイン、およびレヴァインによって記述されたアロステリー ランドスケープ モデル^[6]を使用できます。 アロステリック制御は、大規模で低エネルギーのコンフォメーション変化の進化によって促進される可能性があり、これにより、離れた結合部位間の長距離アロステリック相互作用が可能になります。^[7]

アロステリーの協調モデルは、対称モデルまたはMWCモデルとも呼ばれ、酵素サブユニットは、1つのサブユニットの構造変化が必然的に他のすべてのサブユニットに与えられるような方法で接続されていると仮定しています。したがって、すべてのサブユニットは同じ構造で存在する必要があります。このモデルではさらに、リガンド（基質など）がない場合、平衡はTまたはRの構造状態のいずれかに有利になります。平衡は、1つのリガンド（アロステリックエフェクターまたはリガンド）が活性部位とは異なる部位に 結合することによって、RまたはT状態にシフトできます。

アロステリック制御の連続モデルでは、サブユニットは、1 つの構造変化が他のサブユニットに同様の変化を引き起こすような方法では接続されていないとされています。したがって、すべての酵素サブユニットが同じ構造である必要はありません。さらに、連続モデルでは、基質の分子が誘導適合プロトコルを介して結合することが規定されています。このような誘導適合により、サブユニットが緊張状態から緩和状態に変換されますが、隣接するサブユニットに構造変化が伝播されることはありません。代わりに、1 つのサブユニットでの基質結合によって、他のサブユニットの構造がわずかに変化するため、それらの結合部位が基質に対してより受容的になります。要約すると、

• サブユニットは同じ構造で存在する必要はない
• 基質分子は誘導適合プロトコルを介して結合する
• 構造変化は全てのサブユニットに伝播しない

アロステリック制御のモルフィンモデルは解離協調モデルである。^[8]

モルフィンは、生理学的に重要で機能的に異なる交互の四次アセンブリの集合体として存在できるホモオリゴマー構造です。交互のモルフィンアセンブリ間の遷移には、オリゴマーの解離、解離状態での構造変化、および異なるオリゴマーへの再アセンブリが含まれます。必要なオリゴマー分解ステップは、アロステリック制御のモルフィンモデルを従来の MWC および KNF モデルと区別するものです。

ポルホビリノーゲン合成酵素(PBGS) はモルフィンの原型です。

アロステリック制御のアンサンブルモデルは、アロステリックシステムの統計的アンサンブルをそのポテンシャルエネルギー関数の関数として列挙し、次にアロステリックの特定の統計的測定値をエネルギー関数内の特定のエネルギー項（2つのドメイン間の分子間塩橋など）に関連付けます。^[9]アンサンブルアロステリックモデル^[10]やアロステリックイジングモデル^[11]などのアンサンブルモデルは 、システムの各ドメインがMWCモデルと同様に2つの状態をとることができると想定しています。Cuendet、Weinstein、およびLeVineによって導入されたアロステリーランドスケープモデル^[6] では、ドメインが任意の数の状態を持つことができ、特定の分子相互作用が特定のアロステリックカップリングに与える寄与を厳密な一連のルールを使用して推定できます。分子動力学シミュレーションを使用してシステムの統計的アンサンブルを推定し、アロステリーランドスケープモデルで分析することができます。

アロステリック調節は、生化学および薬理学において分子および酵素の活性を変更するために使用されます。比較すると、一般的な薬物は酵素の活性部位に結合するように作られているため、その酵素への基質の結合が妨げられ、酵素活性が低下します。アロステリック調節は、エフェクターが酵素のアロステリック部位 (調節部位とも呼ばれる) に結合して酵素活性を変更するときに発生します。アロステリック調節剤は、アロステリック部位に適合して酵素の構造変化、特に活性部位の形状の変化を引き起こし、それによって酵素の活性の変化を引き起こすように設計されています。一般的な薬物とは対照的に、調節剤は競合的阻害剤ではありません。調節剤は、酵素活性の増加を引き起こす正 (活性化) または酵素活性の低下を引き起こす負 (阻害) になることができます。アロステリック調節を使用すると、特定の酵素活性の影響を制御できます。その結果、アロステリック調節剤は薬理学において非常に効果的です。^[12]生物系では、アロステリック調節を基質提示による調節と区別することが困難な場合がある。

このモデルの例としては、ヒトのマクロファージ内での生活に完全に適応した細菌である結核菌が挙げられます。酵素部位は、異なる基質間のコミュニケーションとして機能します。具体的には、AMPとG6Pの間です。このような部位は、酵素の働きを感知するメカニズムとしても機能します。^[13]

正のアロステリック調節（アロステリック活性化とも呼ばれる）は、1 つのリガンドの結合によって基質分子と他の結合部位との引力が強化されるときに発生します。一例として、酸素分子のヘモグロビンへの結合が挙げられます。この場合、酸素は事実上、基質とエフェクターの両方の役割を果たします。アロステリック部位、つまり「その他の」部位は、隣接するタンパク質サブユニットの活性部位です。1 つのサブユニットへの酸素の結合により、そのサブユニットの構造変化が誘発され、残りの活性部位と相互作用して酸素親和性が強化されます。アロステリック活性化の別の例として、細胞質 IMP-GMP 特異的 5'-ヌクレオチダーゼ II（cN-II）が挙げられます。この場合、基質 GMP に対する親和性は、二量体界面での GTP 結合によって増加します。

負のアロステリック調節（アロステリック阻害とも呼ばれる）は、1 つのリガンドの結合によって他の活性部位の基質に対する親和性が低下する場合に発生します。たとえば、2,3-BPG がヘモグロビンのアロステリック部位に結合すると、すべてのサブユニットの酸素に対する親和性が低下します。これは、結合部位に調節因子が存在しない場合に発生します。

直接トロンビン阻害剤は、負のアロステリック調節の優れた例です。トロンビンのアロステリック阻害剤が発見されており、抗凝固剤として使用できる可能性があります。

もう一つの例は、痙攣毒であるストリキニーネで、グリシン受容体のアロステリック阻害剤として作用します。グリシンは、哺乳類の脊髄と脳幹における主要なシナプス後抑制性神経伝達物質です。ストリキニーネは、グリシン受容体の別の結合部位でアロステリックに作用します。つまり、その結合により、グリシン受容体のグリシンに対する親和性が低下します。したがって、ストリキニーネは抑制性伝達物質の作用を阻害し、痙攣を引き起こします。

負のアロステリック調節が見られるもう一つの例は、解糖を制御する負のフィードバックループ内のATPと酵素ホスホフルクトキナーゼの間です。ホスホフルクトキナーゼ (一般にPFKと呼ばれる) は、解糖の第3段階、つまりフルクトース-6-リン酸からフルクトース-1,6-ビスリン酸へのリン酸化を触媒する酵素です。 PFK は、細胞内の高レベルのATPによってアロステリックに阻害される可能性があります。 ATP レベルが高い場合、ATP はホスホフルクトキナーゼのアロステリック部位に結合し、酵素の三次元形状の変化を引き起こします。この変化により、活性部位での基質(フルクトース-6-リン酸とATP )に対する親和性が低下し、酵素は不活性であるとみなされます。これにより、 ATP レベルが高いときに解糖が停止し、体内のグルコースが節約され、細胞内 ATP のレベルのバランスが維持されます。このように、ATP は酵素の基質でもあるにもかかわらず、PFK の負のアロステリック調節因子として機能します。

ホモトロピックアロステリックモジュレーターは、標的タンパク質の基質であると同時に、タンパク質の活性を制御する分子でもある。典型的には、タンパク質の活性化因子である。^[14]たとえば、O ₂と CO はヘモグロビンのホモトロピックアロステリックモジュレーターである。同様に、IMP/GMP特異的5'ヌクレオチダーゼでは、1つのGMP分子がテトラマー酵素の1つのサブユニットに結合すると、シグモイド基質対速度プロットで示されるように、後続のサブユニットによるGMPへの親和性が増加する。^[14]

ヘテロトロピックアロステリックモジュレーターは、酵素の基質ではない調節分子です。酵素の活性化剤または阻害剤のいずれかになります。たとえば、H ⁺、CO ₂、および2,3-ビスホスホグリセリン酸は、ヘモグロビンのヘテロトロピックアロステリックモジュレーターです。^[15]もう一度、IMP/GMP特異的5'ヌクレオチダーゼでは、テトラマー酵素の二量体界面でのGTP分子の結合により、活性部位での基質GMPに対する親和性が増加し、K型ヘテロトロピックアロステリック活性化が示されます。^[14]

上で十分に強調したように、一部のアロステリックタンパク質は基質と他の分子の両方によって制御される可能性があります。このようなタンパク質はホモトロピック相互作用とヘテロトロピック相互作用の両方が可能です。^[14]

いくつかのアロステリック活性化因子は、その不在下では標的酵素の活性が非常に低いか無視できるという意味で「必須」または「絶対」活性化因子と呼ばれ、例えばN-アセチルグルタミン酸のカルバモイルリン酸合成酵素Iに対する活性がこれに該当する。^{[16] [17]}

非調節性アロステリック部位とは、酵素（または任意のタンパク質）の非調節性成分で、それ自体はアミノ酸ではありません。たとえば、多くの酵素は、適切に機能するためにナトリウムの結合を必要とします。ただし、ナトリウムは必ずしも調節サブユニットとして機能するわけではありません。ナトリウムは常に存在し、酵素の活性を調節するためにナトリウムを追加/除去する生物学的プロセスは知られていません。非調節性アロステリック部位には、ナトリウム以外のイオン（カルシウム、マグネシウム、亜鉛）や、その他の化学物質、場合によってはビタミンが含まれる可能性があります。

受容体のアロステリック調節は、内因性リガンド（ 「活性部位」）とは異なる部位（「調節部位」）でのアロステリック調節因子の結合によって生じ、内因性リガンドの効果を増強または阻害します。通常、受容体分子の構造変化を引き起こし、その結果、リガンドの結合親和性が変化します。このように、アロステリックリガンドは、その主要なオルソステリックリガンドによる受容体の活性化を調節し、電気回路の調光スイッチのように動作して、応答の強度を調整すると考えられます。

たとえば、GABA _A受容体には、神経伝達物質のガンマアミノ酪酸(GABA) が結合する2 つの活性部位がありますが、ベンゾジアゼピンおよび全身麻酔薬の調節結合部位もあります。これらの調節部位はそれぞれ正のアロステリック調節を生成し、GABA の活性を増強します。ジアゼパムはベンゾジアゼピン調節部位の正のアロステリック調節剤であり、その解毒剤であるフルマゼニルは受容体拮抗薬です。

標的をアロステリックに調節する薬剤の最近の例としては、カルシウムを模倣するシナカルセトや HIV 治療薬マラビロクなどが挙げられます。

アロステリックタンパク質は多くの疾患に関与し、その中心的役割を果たしており^{[18] [19]}、アロステリック部位は新たな薬剤ターゲットとなる可能性がある。古典的なオルソステリックリガンドよりもアロステリックモジュレーターを優先治療薬として使用することには、多くの利点がある。例えば、Gタンパク質共役受容体（GPCR）のアロステリック結合部位は、内因性リガンドを収容するためにオルソステリック部位のような進化圧力を受けていないため、より多様である。^[20]そのため、アロステリック部位を標的とすることで、より高いGPCR選択性が得られる可能性がある。^[20]これは、受容体サブタイプ間でオルソステリック部位の配列が保存されているため、選択的オルソステリック療法が困難であったGPCRに特に有用である。^[21]また、これらのモジュレーターは毒性作用の可能性が低く、限られた協同性を持つモジュレーターは投与量に関係なく、効果に上限があるためである。^[20]アロステリックモジュレーターに特有のもう1つの薬理学的選択性は、協同性に基づいています。アロステリックモジュレーターは、関心のあるサブタイプを除く特定の受容体のすべてのサブタイプでオルソステリックリガンドと中立的な協同性を示す可能性があり、これは「絶対サブタイプ選択性」と呼ばれます。^[21]アロステリックモジュレーターが顕著な有効性を持たない場合、オルソステリックリガンドよりも強力な治療上の利点、つまり内因性アゴニストが存在する場合にのみ組織反応を選択的に調整する能力を提供できます。^{[21]オリゴマー特異的な小分子結合部位は、医学的に関連する}モルフィン の薬物ターゲットです。^[22]

複数の非共有結合部位を含む合成化合物は多く、これらの化合物は 1 つの部位を占有すると構造変化を示します。このような超分子システムにおける単一の結合寄与間の協同性は、1 つの結合部位の占有が 2 番目の部位での親和性 Δ G を高める場合は正、親和性が高くない場合は負です。ほとんどの合成アロステリック複合体は、1 つのエフェクターリガンドの結合による構造再編成に依存しており、これにより別の結合部位での 2 番目のリガンドの結合が強化または弱まります。^{[23] [24] [25]}複数の結合部位間の構造結合は、人工システムでは、通常、柔軟性が高いタンパク質よりもはるかに大きくなります。効率を決定するパラメーター (エフェクター E の有無での平衡定数 Krel = KA(E)/KA の比率で測定) は、リガンド A の結合のために閉じた構造または歪んだ構造を採用するために必要な構造エネルギーです。^[26]

多くの多価超分子システム^[27]では、結合したリガンド間の直接的な相互作用が起こり、大きな協同性につながることがあります。最も一般的なのは、イオン対の受容体内のイオン間の直接的な相互作用です。^{[28] [29]}この協同性は、ここでの構造変化が必ずしも結合イベントを引き起こすわけではないにもかかわらず、しばしばアロステリックとも呼ばれます。

アロステリックは、リガンドがオルソステリック部位とは地形的に異なるアロステリック部位に結合することで生じる、生物学的高分子機能の直接的かつ効率的な調節手段である。受容体選択性が高く、標的に基づく毒性が低いことが多いため、アロステリック調節は、創薬やバイオエンジニアリングにおいてもますます重要な役割を果たすことが期待されている。アロステリックデータベース（ASD）^[30]は、アロステリック分子の構造、機能、および関連する注釈の表示、検索、分析のための中心的なリソースを提供する。現在、ASDには、100を超える種のアロステリックタンパク質と、3つのカテゴリ（活性化因子、阻害因子、および調節因子）のモジュレーターが含まれている。各タンパク質には、アロステリック、生物学的プロセス、および関連疾患の詳細な説明が注釈として付けられており、各モジュレーターには結合親和性、物理化学的特性、および治療領域が注釈として付けられている。ASDにアロステリックタンパク質の情報を統合することで、未知のタンパク質のアロステリックを予測し、実験検証を行うことができるようになる。さらに、ASD でキュレーションされたモジュレーターは、クエリ化合物の潜在的なアロステリックターゲットを調査するために使用でき、化学者が新しいアロステリック薬物設計のために構造変更を実施するのに役立ちます。

すべてのタンパク質残基がアロステリック制御において同様に重要な役割を果たすわけではない。アロステリックに必須の残基（いわゆる「アロステリック残基」）の特定は、特にここ 10 年間で多くの研究の焦点となってきた。^{[31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38]}この関心の高まりは、部分的にはタンパク質科学におけるそれらの一般的な重要性によるものであるが、アロステリック残基が生物医学的文脈で活用される可能性があるためでもある。標的とする部位が困難な薬理学的に重要なタンパク質については、代わりに、主要な関心部位をアロステリックに制御できる、より到達しやすい残基を標的とするアプローチが有効な場合がある。^[39]これらの残基は、大まかに表面アロステリックアミノ酸と内部アロステリックアミノ酸に分類できる。表面のアロステリック部位は通常、内部の部位とは根本的に異なる制御的役割を果たしている。表面残基はアロステリックシグナル伝達における受容体またはエフェクター部位として機能する可能性があるが、内部残基はそのようなシグナルを伝達する働きをする可能性がある。^{[40] [41]}

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