α-ケトグルタル酸依存性ヒドロキシラーゼ

α-ケトグルタル酸依存性ヒドロキシラーゼは、広範囲の反応を触媒する非ヘム鉄タンパク質の主要なクラスです。これらの反応には、水酸化反応、脱メチル化、環拡大、環閉環、および不飽和化が含まれます。 ^{[1] [2]機能的には、αKG依存性ヒドロキシラーゼは}シトクロムP450酵素に匹敵します。どちらもO2と還元当量を共基質として使用し_、水を生成します。^[3]

αKG依存性水酸化酵素は多様な役割を担っている。^{[4] [5]}細菌などの微生物では、αKG依存性ジオキシゲナーゼは多くの生合成経路や代謝経路に関与している。^{[6] [7] [8]}例えば、大腸菌では、AlkB酵素は損傷したDNAの修復に関与している。^{[9] [10]} 植物では、αKG依存性ジオキシゲナーゼは植物代謝における多様な反応に関与している。^{[11]これらには、フラボノイド生合成、 [12]}およびエチレン生合成が含まれる。^[13]哺乳類およびヒトにおいて、αKG依存性ジオキシゲナーゼは、生合成（コラーゲン生合成^[14]およびL-カルニチン生合成^[15]など）、翻訳後修飾（タンパク質水酸化^[16]など）、エピジェネティック制御（ヒストンおよびDNA脱メチル化^[17]など）、ならびにエネルギー代謝のセンサーにおいて機能的役割を果たしている。^[18]

多くのαKG依存性ジオキシゲナーゼは、基質の不在下でαKGからコハク酸と二酸化炭素への酸化的脱炭酸が進行する非共役ターンオーバーも触媒する。多くのαKG依存性ジオキシゲナーゼの触媒活性は還元剤（特にアスコルビン酸）に依存しているが、その役割は正確にはわかっていない。^{[19] [20]}

αKG依存性ジオキシゲナーゼは、分子状酸素（O ₂）から単一の酸素原子を基質に取り込むことで酸化反応を触媒する。この変換は、共基質αKGのコハク酸と二酸化炭素への酸化と連動している。^{[1] [2]} 標識O ₂を基質とすると、1つの標識はコハク酸に、もう1つはヒドロキシル化された基質に現れる：^{[21] [22]}

R ₃ CH + O ₂ + ⁻ O ₂ CC(O)CH ₂ CH ₂ CO ₂ ⁻ → R ₃ C O H + CO ₂ + ⁻ O O CCH ₂ CH ₂ CO ₂ ⁻

最初のステップは、αKGと基質の活性部位への結合である。αKGはFe(II)に二座配位子として配位し、基質は非共有結合力によって近接して保持される。続いて、分子状酸素がαKGの2つの供与体のFeにシスで末端結合する。スーパーオキシド配位子の非配位末端がケト炭素を攻撃し、CO2の放出を誘発して_Fe (IV)-オキソ中間体を形成する。このFe=O中心は、酸素リバウンド機構によって基質を酸素化する。^{[1] [2]}

代替メカニズムは支持を得られなかった。^[23]

すべてのαKG依存性ジオキシゲナーゼは、2つのβシートで形成された保存された二本鎖βヘリックス（DSBH、クピンとしても知られる）フォールドを含む。^{[24] [25]}

活性部位には、高度に保存された2-His-1-カルボキシレート（HXD/E...H）アミノ酸残基トライアドモチーフが含まれており、触媒として必須のFe（II）は2つのヒスチジン残基と1つのアスパラギン酸/グルタミン酸残基によって保持されています。N ₂ OトライアドはFe中心の1つの面に結合し、八面体上にαKGとO ₂を結合するための3つの不安定部位を残します。^{[1] [2]同様の面のFe結合モチーフですが、his-his-his配列を特徴としており、}システインジオキシゲナーゼ に見られます。

αKGと基質の結合は、X線結晶構造解析、分子動力学計算、NMR分光法によって分析されている。ケトグルタル酸の結合は酵素阻害剤を用いて観察されている。^[26]

いくつかのαKG依存性ジオキシゲナーゼは、誘導適合機構を介して基質に結合する。例えば、酸素感知に関与するαKG依存性ジオキシゲナーゼであるヒトプロリルヒドロキシラーゼアイソフォーム2（PHD2）^{[27] [28] [29]}や、微生物のαKG依存性ジオキシゲナーゼであるイソペニシリンN合成酵素（IPNS）[30]では、基質結合^時に顕著なタンパク質構造変化が観察されている。

αKG依存性ジオキシゲナーゼが果たす重要な生物学的役割を考慮して、多くのαKG依存性ジオキシゲナーゼ阻害剤が開発されました。αKG依存性ジオキシゲナーゼを標的として定期的に使用される阻害剤には、 N-オキサリルグリシン（NOG）、ピリジン-2,4-ジカルボン酸（2,4-PDCA）、5-カルボキシ-8-ヒドロキシキノリン、FG-2216、FG-4592があり、これらはすべて共基質αKGを模倣し、酵素活性部位Fe（II）でのαKGの結合と競合するように設計されています。^{[32] [33]}これらはαKG依存性ジオキシゲナーゼの強力な阻害剤ですが、選択性に欠けるため、いわゆる「広域スペクトル」阻害剤と呼ばれることもあります。^[34]基質と競合する阻害剤も開発されており、例えば、ヒトプロリルヒドロキシラーゼドメイン2（PHD2）^[35]を標的とするペプチジルベースの阻害剤や、ロシアや東欧で一般的に使用されているガンマブチロベタインジオキシゲナーゼを標的とする薬物分子であるミルドロネートなどがある。^{[36] [37] [38]}最後に、αKG依存性ジオキシゲナーゼは共基質として分子状酸素を必要とするため、一酸化炭素^[39]や一酸化窒素^{[40] [41]}などの気体分子もαKG依存性ジオキシゲナーゼの阻害剤であることが示されており、これはおそらく活性部位Fe(II)イオンでの結合をめぐって分子状酸素と競合することによって起こると考えられる。

αKG依存性ジオキシゲナーゼを研究するための多くのアッセイが開発され、酵素反応速度論、酵素阻害およびリガンド結合などの情報が得られるようになった。核磁気共鳴（NMR）分光法は、αKG依存性ジオキシゲナーゼの研究に広く応用されている。^[42]例えば、リガンド結合、^{[43] [ 44] [45]}酵素反応速度論、^[46]阻害モード^[47]ならびにタンパク質構造変化[48 ^]を研究するためのアッセイが開発されている。質量分析法も広く応用されている。これは、酵素反応速度論の特性評価^[49] 、酵素阻害剤開発の指針^[50] 、リガンドおよび金属結合の研究^[51]ならびにタンパク質構造変化の分析に使用することができる。^[52]分光光度法を用いたアッセイも使用されており、^[53]例えば、2OG酸化、^[54]副産物のコハク酸形成^[55]または生成物形成を測定するものである。^[56]等温滴定熱量測定（ITC）^[57]や電子常磁性共鳴（EPR）などの他の生物物理学的技術も適用された。^{[58] 14C}標識基質を使用する放射性アッセイも開発され、使用された。^[59] αKG依存性ジオキシゲナーゼは触媒活性に酸素を必要とするため、酸素消費アッセイも適用された。^[60]

• Martinez, Salette; Hausinger, Robert P. (2015-08-21). 「Fe(II)-および2-オキソグルタル酸依存性オキシゲナーゼの触媒機構」. The Journal of Biological Chemistry . 290 (34): 20702–20711. doi : 10.1074/jbc.R115.648691 . ISSN  0021-9258. PMC 4543632.  PMID 26152721  .
• Hegg EL、Que L Jr (1997 年 12 月)。「2-His-1-カルボキシレート顔面トライアド - 単核非ヘム鉄 (II) 酵素における新たな構造モチーフ」。Eur  . J. Biochem . 250 (3): 625–629。doi : 10.1111/ j.1432-1033.1997.t01-1-00625.x。PMID 9461283。。
• Myllylä R、Tuderman L、Kivirikko KI (1977 年 11 月)。「プロリルヒドロキシラーゼ反応のメカニズム。2. 反応シーケンスの速度論的解析」。Eur . J. Biochem . 80 (2): 349–357. doi : 10.1111/j.1432-1033.1977.tb11889.x . PMID  200425。
• Valegård K、Terwisscha van Scheltinga AC、Dubus A、Ranghino G、Oster LM、Hajdu J、Andersson I (2004 年 1 月)。「単核鉄酵素におけるセファロスポリン形成の構造的基礎」 ( PDF )。Nat . Struct. Mol. Biol . 11 ( 1): 95–101。doi :10.1038/nsmb712。PMID 14718929。S2CID  1205987。
• Price JC、Barr EW、Tirupati B、Bollinger JM Jr、Krebs C (2003 年 6 月)。「α-ケトグルタル酸依存性ジオキシゲナーゼの反応における高原子価鉄中間体の初めての直接的特性評価: 大腸菌由来のタウリン/α-ケトグルタル酸ジオキシゲナーゼ (TauD) の高スピン FeIV 複合体」。生化学。42 ( 24 ): 7497–7508。doi :10.1021/bi030011f。PMID 12809506  。
• Proshlyakov DA、Henshaw TF、Monterosso GR、Ryle MJ、Hausinger RP (2004 年 2 月)。「非ヘム鉄酵素タウリン/α-ケトグルタル酸ジオキシゲナーゼにおける酸素中間体の直接検出」。J. Am. Chem. Soc . 126 (4): 1022–1023. doi :10.1021/ja039113j. PMID  14746461。
• Hewitson KS、Granatino N、Welford RW、McDonough MA、Schofield CJ (2005 年 4 月)。「2-オキソグルタル酸オキシゲナーゼによる酸化: 触媒およびシグナル伝達における非ヘム鉄システム」。Phil . Trans. R. Soc. A  . 363 ( 1829): 807–828。Bibcode : 2005RSPTA.363..807H。doi :10.1098/ rsta.2004.1540。PMID 15901537。S2CID 8568103  。
• Wick CR、Lanig H、Jäger CM、Burzlaff N、Clark T (2012 年 11 月)。「プロリルヒドロキシラーゼ PHD2 の構造的洞察: 分子動力学と DFT 研究」。Eur . J. Inorg. Chem . 2012 (31): 4973–4985. doi : 10.1002/ejic.201200391。