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カルコンシンターゼまたはナリンゲニンカルコンシンターゼ（CHS ）は、高等植物に広く存在する酵素であり、タイプIII PKSとして知られるポリケチドシンターゼ酵素（PKS）ファミリーに属します。タイプIII PKSは、主に植物の自然防御機構および合成中間体として存在する有機化合物のクラスであるカルコンの生成に関与しています。CHSは最初に発見されたタイプIII PKSです。[ 1 ]これはフラボノイド生合成における最初の律速酵素です。[ 2 ]この酵素は、4-クマロイル-CoAとマロニル-CoAをナリンゲニンカルコンに 変換する反応を触媒します。
CHS触媒作用はフラボノイド生合成の最初のステップとして機能します。フラボノイドは、高等植物においてさまざまな機能を果たす重要な植物二次代謝産物です。これには、色素沈着、紫外線防御、生殖能力、抗真菌防御、窒素固定細菌の誘引などが含まれます。 [ 3 ] CHSは、フラボノイド経路に関与する酵素の中心的なハブとして機能すると考えられています。[ 4 ]研究により、これらの酵素はタンパク質間相互作用を介して相互作用することが示されています。[ 5 ] FLIM FRETにより、CHSは連続ステップ酵素であるカルコンイソメラーゼ（CHI）だけでなく、他の非連続ステップ酵素であるフラバノン3-ヒドロキシラーゼ（F3H）、ジヒドロフラボノール4-レダクターゼ（DFR）、フラボノールシンターゼIとも相互作用することが示されました。 [ 4 ]
ナリンゲニンカルコンシンターゼは、マロニルCoAと4-クマロイルCoAを使用してCoA、ナリンゲニンカルコン、およびCO2を生成します。
4-クマロイル-CoAと3単位のマロニル-CoAは、3分子の二酸化炭素、4分子の補酵素A、および1単位のナリンゲニンカルコンに変換される。
CHSは、各モノマーが約42～45 kDaの大きさのホモ二量体タンパク質として存在します。[ 6 ]各モノマーは、成長中のポリケチド鎖に2炭素アセテート単位を順次頭尾結合させる反応を触媒するβ-ケトシンターゼ（KS）活性を有しています。CHSは、チオラーゼフォールドを含む酵素と非常に類似した活性部位と二量体化界面の位置を持つ5層のαβαβαコアを含んでいます。二量体化界面には疎水性残基と親水性残基の両方が含まれており、上部に絡み合った一対のN末端ヘリックスを除いて、一般的に平坦です。ヘリックスは反応には関与していませんが、酵母チオラーゼのように細胞内局在シグナルを含んでいる可能性があります。また、一般的なフェニルプロパノイド生合成経路から分岐するさまざまな経路において、他の酵素との一時的な多タンパク質複合体の形成に関与するために、構造変化を起こす可能性もあります。
この酵素は細胞質に局在し、小胞体膜と結合している。[ 7 ]別の研究では、CHSとCHIは核にも共局在することが示された。[ 8 ]
各モノマーのαβαβαコアの底端には、2つの異なる二葉状の活性部位空洞が存在する。二量体界面で出会う同一の6残基ループが、2つの活性部位を互いに隔てている。このループは活性部位のThr132から始まり、 Pro138とのシスペプチド結合で終わる。もう一方のモノマーの活性部位にはMet137残基が穴を塞いでいる。そのため、活性部位は、触媒表面と周囲の環境をつなぐ16ÅのCoA結合トンネルを除いて埋もれている。このトンネルの幅は、そこを通過する芳香族基質や生成物には狭すぎるため、溶液中に置かれた場合、トンネル内およびその周辺に何らかの動的な動きがあることを示唆している。
活性部位には、Cys164、His303、Asn336からなる保存された触媒三残基が存在する。これらの残基は、複数の脱炭酸反応および縮合反応を助け、Cys164は活性部位の求核剤として作用する。Phe215とPhe265は、CoA結合トンネルと活性部位空洞の間の開口部の下部タンパク質をブロックする「ゲートキーパー」として機能する他の2つの重要なアミノ酸である。これにより、様々な形状とサイズの基質および中間体を収容しながら、活性部位への水のアクセスが制限される。Phe215はまた、ポリケチド中間体の伸長中に活性部位で基質の配向を調整する。
最初のステップでは、4-クマロイル-CoA 開始分子から Cys164 へクマロイル部分が転移します。[ 9 ]次に、マロニル-CoA からの 3 つのアセテート単位の一連の縮合反応が起こり、それぞれがマロニル-CoA脱炭酸によって生成されたアセチル-CoAカルバニオンを経由して進行します。これにより、ポリケチド中間体が拡張されます。チオエステル結合テトラケチドが生成された後、位置選択的な C1、C6クライゼン縮合が起こり、新しい環系が形成されてナリンゲニンカルコンが生成されます。
CHSは、ナリンゲニンやカルコンナリンゲニンなどのフラボノイド経路産物によって非競合的に阻害される。[ 10 ]生体内での直接的な証拠はないものの、フラボノイドは植物において毒性レベルを避けるためにCHS活性を阻害するレベルまで細胞質に蓄積すると考えられている。[ 11 ]
CHSは植物において恒常的に発現しているが、光/紫外線による誘導発現や、病原体、エリシター、傷害に対する応答としても発現する。CHSプロモーターには、CACGTG配列を持つGボックスモチーフが含まれている。これは光応答において役割を果たすことが示されている。[ 12 ]他の光感受性ドメインには、Box I、Box II、Box III、Box IV、または3つのHボックス（CCTACC）が含まれる。[ 9 ]
ペチュニア植物のカルコンシンターゼ遺伝子は、 RNA干渉現象が観察された最初の遺伝子として有名です。淡いピンク色または紫色の花の色素生成を上方制御しようとした研究者たちは、カルコンシンターゼのトランスジーンを導入し、内在遺伝子とトランスジーンの両方が酵素を発現し、より濃い色の花の表現型をもたらすと期待しました。しかし、トランスジェニック植物はまだら模様の白い花を咲かせ、トランスジーンの導入によってカルコンシンターゼの発現が下方制御またはサイレンシングされたことを示しました。[ 13 ]この現象のさらなる調査により、下方制御はメッセンジャーRNA分解速度の増加によるカルコンシンターゼ遺伝子発現の転写後阻害によるものであることが示されました。[ 14 ]
CHSはフラボノイド経路の最初の決定的なステップとして、フラボノイド、イソフラボノイド型フィトアレキシン、その他の代謝産物の生成を促進し、植物をストレスから保護します。CHSの発現はサリチル酸防御経路にも関与しています。芳香族化合物であるフラボノイドは、光受容体を介したメカニズムによって紫外線を強く吸収し、植物をDNA損傷から効果的に保護します。CHSは、抗酸化物質、抗炎症剤、抗アレルギー物質、さらには抗腫瘍物質など、人間の健康に重要なさまざまな植物代謝産物の前駆体として機能する、より広範で一般的なフェニルプロパノイド経路に関与しています。[ 15 ]
CHSは、タイプIII PKSとして知られるより広範な酵素群に属します。CHSは同種の酵素として最初に発見されたため、他のすべてのメンバーはしばしば「CHS様」と呼ばれます。特徴づけられた多様なCHS様酵素のほとんど、あるいはすべては、chs遺伝子の広範な重複とその後の遺伝的変異によって生じたものです。重複によりCHS活性に機能的冗長性がもたらされ、chs遺伝子が変異してもフラボノイド生合成が危険にさらされることはありません。これらの多様な酵素は、開始分子の選択性、アセチル基の付加数（多くの場合マロニルCoAを介して）、さらには同一のポリケチド中間体を環化するために使用される環形成のメカニズムにおいてCHSとは異なります。
CHSおよびCHS様酵素の酵素機能は、脂肪酸生合成と非常によく似ているが、アシルキャリアタンパク質（ACP）の関与はない。[ 16 ]構造的証拠は、これらの酵素が、II型脂肪酸生合成の初期段階酵素であるケトアシルシンターゼ（KAS）IIIから機能獲得によって出現したことを示唆している。
高等植物のカルコンシンターゼは広く研究されているが、蘚苔類（原始植物）の酵素に関する情報はほとんどない。蘚類Physcomitrella patensのCHSのクローニングにより、微生物に存在するカルコンシンターゼから高等植物に存在するカルコンシンターゼへの重要な移行が明らかになった。[ 17 ]