エキソポリホスファターゼ

エキソポリホスファターゼ（PPX）は、リン酸無水物結合によって連結された最大1000個以上のモノマーからなる線状分子である無機ポリリン酸の加水分解を触媒するホスファターゼ 酵素である。 ^{[1] PPXはプロセッシブエキソホスファターゼであり、}ポリリン酸鎖 の末端から始まり、リン酸無水物結合を切断してオルトリン酸を放出し、ポリリン酸分子に沿って移動する。^{[1] PPXには、} ATP に作用しないこと、長鎖ポリリン酸を強く好むこと、リン酸モノマーが15個未満のポリリン酸分子に対する親和性が非常に低いことなど、他の既知のポリホスファターゼとは異なるいくつかの特徴がある。^[2]

PPXは、あらゆる生物においてリン酸とエネルギーの代謝に重要な役割を果たしている。^{[3]特に、細胞内}ポリリン酸 の適切なレベルの維持に重要であり、アミノ酸、オルトリン酸、窒素の欠乏、pHの変化、栄養素の低下、高塩分などのストレス要因への反応を含むさまざまな細胞機能に関与していることが示唆されている。また、無機分子シャペロンとしても機能している。^{[2] [4]}
PPXはポリホスファターゼに分類され、大規模なDHHホスホエステラーゼファミリーの一部である。^[5] このスーパーファミリー内の両方のサブファミリーは、4つのN末端モチーフを共有しているが、 C末端 部分は異なる。^[6]

PPXの活性は、放射性標識された^32Pポリリン酸の損失を測定することによって定量化されます。^[1] PPXは既知量の標識ポリリン酸と混合され、加水分解反応は過塩素酸（HClO ₄）で停止されます。^[1] 残った標識ポリリン酸の量は、液体シンチレーション計数によって測定されます。^[1]

PPXは1993年にノーベル賞受賞者アーサー・コーンバーグの研究室で発見され、ポリリン酸を合成する酵素であるポリリン酸キナーゼ^[1]とともにポリリン酸 オペロンの一部です。コーンバーグ研究室はポリリン酸に非常に興味を持っており、生体内でのポリリン酸の代謝と役割を解明する一連の論文を発表しました。ポリリン酸への関心から、彼らはポリリン酸オペロン（ポリリン酸キナーゼ[PPK]とPPXを含む）を特定して特徴付け、 in vitroおよびin vivoでポリリン酸の生成と分解を定量化するさまざまなアッセイと技術を開発しました。エキソポリホスファターゼの構造は、サンダース、ジャニッキらを含むパデュー構造ウイルス学研究室によってさらに解明されました。末端には7〜10個のリン酸原子があります。コーンバーグ研究室によるポリリン酸の研究結果から、コーンバーグは、ポリリン酸はエネルギーとリン酸含有量が高く、種を超えて保存されている程度が高いことから、RNA、DNA、タンパク質の前駆体であった可能性があると推測しました。^[2]

PPX の構造は、このスーパーファミリーの一部であるアクチン様ATPaseドメインによって特徴付けられます。Aquifex aeolicusでは、5 本のβシートから構成されるリボヌクレアーゼH 様モチーフが含まれており、2 番目の鎖は残りの鎖と反平行です。いくつかの鎖は、C 末端ドメインの方が N 末端ドメインよりも長いらせんセグメントによって接続されています。5 つのアルファ ヘリックスが C 末端ドメインにあり、2 つだけが N 末端ドメインにあります。酵素の閉じた構成は、タイプ I 構造と呼ばれます。この構成は、N 末端ドメインと C 末端ドメインが構造の中心にある 2 つのアルファ ヘリックスによって分離されているなど、このスーパーファミリーの他のメンバーと類似した特徴を共有しています。ドメインのよりオープンな配置は、単一のヒンジ領域の周りで 2 つのドメインの回転運動を示します。構造の柔軟性は、活性部位の周りに開いている「蝶のような」裂け目として説明されています。^[8]

大腸菌では、エキソポリホスファターゼは二量体として存在し、各単量体は4つのドメインで構成されています。最初の2つのドメインは3つのベータシートで構成され、その後にアルファ-ベータ-アルファ-ベータ-アルファの折り畳みが続きます。これは、 3番目と4番目のドメインを欠く、以前に記載されたAquifex aeolicusホモログとは異なります。 ^[9] 現在までに、このクラスの酵素について4つの構造が解明されており、タンパク質データバンクのアクセッションコードは1T6C、1T6D、1U6Z、および2FLOです。

エキソポリホスファターゼの活性部位は、ドメイン I と II の間の溝にあります。大腸菌では、この領域には、アミノ酸のグルタミン酸とアスパラギン酸(E121、D143、および E150)を含むβ-1 鎖とβ-2 鎖の間のループが含まれています。これらの残基は、K197 とともに、他の ASKHA (酢酸キナーゼと糖キナーゼ、Hsp70、アクチン) によく見られるリン酸結合とイオン結合に重要です。A . aeolicusでは、酵素の活性部位は 2 つのドメイン間の溝にあります。この溝の触媒カルボキシル基、具体的には Asp141 と Glu148 が酵素活性に重要であることがわかります。エキソポリホスファターゼがATPではなくポリリン酸に結合することを好むのは、ATPのリボースとアデノシンとN21、C169、R267の側鎖との間で衝突が起こるためであると考えられている。^[9]

エキソポリホスファターゼは、グルタミン酸とリジンのアミノ酸側鎖を介してポリリン酸の末端リン酸を切断します。グルタミン酸は水を活性化し、求核剤として作用して末端リン酸を攻撃します。その後、2つのリン酸原子を橋渡ししていた酸素が近くのリジン残基から水素を抽出します。^[9]

ポリリン酸は、リン酸鎖の一部を切断するエキソポリホスファターゼ酵素によって利用されます。これらのタンパク質は、ポリリン酸の代謝と維持に重要な役割を果たします。 ^{[11]ポリリン酸は各細胞の}細胞質全体に存在し、細胞の器官にも存在します。エキソポリホスファターゼには多くのクラスがあり、それぞれ独自の局在と特性を持っています。ポリリン酸が分解されると、二次メッセンジャーとして機能するシグナル伝達分子に関与すると推測されています。^{[6] [12]}大腸菌 では、ポリリン酸代謝の調節は十分に理解されていません。^[13]

ポリリン酸は、リン酸無水物結合によって連結されたリン酸の直鎖である。ポリリン酸はすべての生物に存在し、生物の生存に不可欠な役割を果たしている。細菌では、ポリリン酸はアデノシン三リン酸を補充するためのエネルギーを蓄えるために使用される。また、細胞膜の形成と機能、酵素調節、遺伝子転写制御に関与していることも示されている。哺乳類では、ポリリン酸は血液凝固と炎症、免疫反応、骨組織の発達、脳機能に関与している。^{[11] [14]}

酵母モデルでは、エキソポリホスファターゼ活性を欠く変異酵母は、呼吸機能と無機ポリリン酸の代謝に問題があることが示されています。^[15]逆に、エキソポリホスファターゼ酵素のレベルが高い酵母株は、リン酸欠乏またはリン酸過剰の条件下で明らかな成長障害を示さないことが示されていますが、ポリリン酸鎖を分解する酵素の数が増加したため、酵母内のポリリン酸レベルは非常に低くなります。^[16]

ポリリン酸を合成できない大腸菌の変異体は、定常期に入ってからわずか数日後には死滅します。 ^[2] そのため、細菌内のポリリン酸の蓄積を阻害する戦略は、抗菌治療の候補として注目されています。 ^{[2] [17]} これは、ポリリン酸キナーゼの阻害、エキソポリホスファターゼ活性の増強、またはその両方によって達成できます。

ポリリン酸の蓄積は、生物学的リン除去の強化による水生環境からの_リン除去や、組み換えタンパク質の発現における分子シャペロンとしての役割など、さまざまな産業用途でも興味深いものです。ポリリン酸の分子シャペロンとしての活性のため、^{[4]ポリリン酸を蓄積する}大腸菌株は、可溶性組み換えタンパク質の収量を増やすために使用できます。^[18]

サッカロミセス・セレビシエ由来の組み換えエキソポリホスファターゼは、前臨床敗血症モデルにおいて死亡率を抑制し、防御免疫応答を回復させる。^[14]