ホルミル化

ホルミル化とは、化合物がホルミル基（-CH=O）で官能基化される化学プロセスを指します。有機化学では、この用語は芳香族化合物に関して最も一般的に使用されます（たとえば、ガッターマン・コッホ反応におけるベンゼンからベンズアルデヒドへの変換）。生化学では、この反応はホルミルトランスフェラーゼなどの酵素によって触媒されます。

ホルミル化では通常、CHO基を生じる試薬であるホルミル化剤が使用されます。多くのホルミル化試薬の中で、特に重要なのはギ酸と一酸化炭素です。^[1]有機化学におけるホルミル化反応は、有機化合物がホルミル基（-CH=O）で官能基化される有機反応を指します。この反応は、アルデヒド（C -CH=O）、ホルムアミド（N -CH=O）、およびギ酸エステル（O -CH=O）への経路です。

ホルミル基を導入する試薬はホルミル化剤と呼ばれる。^[2]

• ギ酸
• ヴィルスマイヤー・ハック反応におけるジメチルホルムアミドとオキシ塩化リン^[3]
• ダフ反応およびソムレ反応におけるヘキサメチレンテトラミン
• ガッターマン・コッホ反応における一酸化炭素と塩酸
• ガッターマン反応におけるシアン化物。この方法では、ルイス酸触媒の存在下で塩化水素とシアン化水素（またはシアン化亜鉛などの他の金属シアン化物）を使用して芳香族アルデヒドを合成します。
• ライマー・ティーマン反応におけるクロロホルム
• リーシュホルミル化におけるジクロロメチルメチルエーテル

特に重要なホルミル化プロセスはヒドロホルミル化であり、これはアルケンを同族アルデヒドに変換する。

ホルミル化反応は求電子芳香族置換反応の一種であるため、電子豊富な出発物質で最もよく機能します。フェノールは、優れたフェノキシド求核剤に容易に脱プロトン化するため、一般的な基質です。メシチレン、ピロール、または縮合芳香族環などの他の電子豊富な基質も反応することが予想されます。ベンゼンは攻撃的な条件下で反応しますが、ピリジンなどの不活性環は効果的にホルミル化することが困難です。

多くのホルミル化反応では、フェノキシドとホルミル化試薬間の引力により、オルト生成物（例：サリチルアルデヒド）のみが選択されます。イオン性相互作用は、ヴィルスマイヤー・ハック反応とダフ反応のカチオン性窒素中心、およびライマー・ティーマン反応の電子不足カルベンに対して考慮されています。また、高酸化金属への配位は、カシラギおよびリーシェのホルミル化（コルベ・シュミット反応を参照）で考慮されています。

フェノールとパラホルムアルデヒドの直接反応はカシラギホルミル化反応によって可能だが^{[4] 、他の方法では、}フェノールホルムアルデヒド樹脂の生成を制限するために、マスクされた形態のホルムアルデヒドを使用する。アルデヒドは強力な不活性化作用を持つため、フェノールは通常1回しか反応しない。しかし、ダフ反応などの特定の反応では、2回の付加反応が起こることがある。^[5]

ホルミル化は他の芳香族環にも適用できる。一般的には芳香族基による求核攻撃から始まるため、環の電子密度が重要な要素となる。ピロールなどの芳香族化合物は位置選択的にホルミル化することが知られている。^[6]

ベンゼン環のホルミル化は、ガッターマン反応とガッターマン・コッホ反応によって達成できます。これらは強酸触媒を伴い、フリーデル・クラフツ反応と同様に進行します。

アルケンのヒドロホルミル化は、脂肪族ホルミル（すなわちアルデヒド）を得るための最も重要な方法です。この反応は主に工業的な環境に限定されています。実験室規模の合成には、ソムレー反応、ブボーアルデヒド合成、ボドルー・チチバビンアルデヒド合成など、いくつかの特殊な方法があります。

生化学では、ホルミル官能基の付加は「ホルミル化」と呼ばれます。ホルミル官能基は、水素に結合したカルボニルで構成されます。R基に結合した場合、ホルミル基はアルデヒドと呼ばれます。

ホルミル化は、いくつかの重要な生物学的プロセスで確認されています。メチオニンは、1964年にMarckerとSangerによって大腸菌でホルミル化されることが初めて発見され^[7]、後に細菌と細胞小器官でのタンパク質合成の開始に関与していることが判明しました。^[8] N-ホルミルメチオニンの形成は、メチオニルtRNA ^Metトランスホルミラーゼという酵素によって触媒されます。^[9]さらに、プリンのde novo生合成では2つのホルミル化反応が起こります。これらの反応は、グリシンアミドリボヌクレオチド（GAR）トランスホルミラーゼと5-アミノイミダゾール-4-カルボキシアミドリボチド（AICAR）トランスホルミラーゼという酵素によって触媒されます。^{[10]最近では、ホルミル化は}ヒストンの修飾であり、遺伝子発現を調節する可能性があることが判明しています。

メタノフランのホルミル化によりメタン生成サイクルが開始されます。ホルミル基は二酸化炭素から生成され、メタンに変換されます。

細菌および細胞小器官では、タンパク質合成の開始は、ホルミルメチオニルtRNA（tRNA ^fMet）の形成によってシグナルが送られます。この反応は、 10-ホルミルテトラヒドロ葉酸と、酵素メチオニルtRNAホルミルトランスフェラーゼに依存しています。^[9] この反応は、真核生物や古細菌では使用されません。非細菌細胞におけるtRNA ^fMetの存在は侵入物質と呼ばれ、すぐに排除されるためです。tRNA ^{fMet は、生成された後、タンパク質合成を開始するために}リボソームの30Sサブユニットに送達されます。fMetは、メチオニンと同じコドン配列を持っています。しかし、fMetはタンパク質合成の開始にのみ使用されるため、タンパク質のN末端にのみ存在します。メチオニンは残りの翻訳中に使用されます。大腸菌では、tRNA ^fMetは開始因子IF-2によって特異的に認識され、そのホルミル基がメチオニンのN末端でのペプチド結合形成を阻害する。^[9]

タンパク質合成が完了すると、メチオニンのホルミル基はペプチドデホルミラーゼによって除去されます。メチオニン残基は、メチオニンアミノペプチダーゼという酵素によってさらに除去されます。

プリンリボヌクレオチドAMPとGMPの前駆体であるイノシン一リン酸（IMP）の11段階のde novo合成には、2つのホルミル化反応が必要である。グリシンアミドリボヌクレオチド（GAR）トランスミラーゼは、経路の4番目の反応でGARのホルミル化を触媒し、ホルミルグリシナミジンリボチド（FGAR）を生成する。de novoプリン生合成の最後から2番目の段階では、5-アミノイミダゾール-4-カルボキシアミドリボチド（AICAR）がAICARトランスミラーゼによって5-ホルミル化され、5-ホルムアミノイミダゾール-4-カルボキサミドリボチド（FAICAR）となる。^[10]

PurN GAR トランスフォームラーゼは、真核生物と原核生物に存在します。しかし、2 番目の GAR トランスフォームラーゼである PurT GAR トランスフォームラーゼが大腸菌で特定されています。2 つの酵素は配列が保存されておらず、異なるホルミル供与体を必要としますが、GAR に対する特定の活性と Km は PurT と PurN GAR トランスフォームラーゼの両方で同じです。

PurN GARトランスフォームラーゼ1CDEは、補酵素N10-ホルミルテトラヒドロ葉酸（N10-ホルミル-THF）をホルミル供与体として使用し、GARのα-アミノ基をホルミル化する。真核生物では、PurN GARトランスフォームラーゼは大きな多機能タンパク質の一部であるが、原核生物では単一のタンパク質として発見される。^[12]

ホルミル化反応は、GARのアミン基がN10-ホルミル-THFを求核的に攻撃して四面体中間体を生成する直接転移反応によって起こると考えられています。^[10] GARのα-アミノ基は比較的反応性が高いため、求核剤の脱プロトン化は溶媒によって起こることが提案されています。活性部位では、Asn 106、His 108、およびAsp 144がホルミル転移を助けるように配置されています。^[12]しかし、突然変異誘発研究では、2つ以上の残基の突然変異のみが酵素を阻害するため、これらの残基は個別に触媒に必須ではないことが示されています。構造に基づくと、負に帯電したAsp144はHis108のpKaを上昇させ、His108のプロトン化されたイミダゾリウム基がN10-ホルミル-THFホルミル基の求電子性を高めることができると考えられています。さらに、His108とAsn106は遷移状態で形成されるオキシアニオンを安定化させると考えられている。^[13]

PurT GARトランスホルミラーゼは、ホルミル供与体としてギ酸、触媒としてATPを必要とする。PurT GARトランスホルミラーゼは、大腸菌におけるGARホルミル化の14～50%を担っていると推定されている。この酵素は、 ATP-graspスーパーファミリーのタンパク質の一員である。 ^[14]

PurT GARトランスホルミラーゼについては、まず短命のホルミルリン酸中間体が形成されるという連続的なメカニズムが提案されている。このホルミルリン酸中間体は次にGARアミンによる求核攻撃を受け、ホルミル基が転移する。ホルミルリン酸中間体は突然変異誘発実験で検出されており、変異体PurT GARトランスホルミラーゼはギ酸に対して弱い親和性を示した。^[12] PurT GARトランスホルミラーゼをホルミルリン酸、ADP、およびGARとともにインキュベートすると、ATPとFGARの両方が生成される。これはさらに、ホルミルリン酸が中間体である可能性を示唆しており、酵素内でホルミル化反応を実行するのに速度論的および化学的に適格である。^[15]位置同位体交換研究に基づいて、ホルミルリン酸中間体に先立つ酵素リン酸中間体の形成も提案されている。^[15]しかし、構造データによると、ホルムアルデヒドは酵素の活性部位にあるATPのγリン酸に直接攻撃してホルミルリン酸中間体を形成する可能性があることが示唆されている。^[14]

AICARトランスホルミラーゼは、AICARをFAICARにホルミル化するためのホルミル供与体として補酵素N10-ホルミルテトラヒドロ葉酸（N10-ホルミル-THF）を必要とする。しかし、AICARトランスホルミラーゼとGARトランスホルミラーゼは、高い配列類似性や構造相同性を共有していない。^[13]

AICARのアミンは、共役によるAICARの電子の非局在化のため、GARの対応するアミンよりも求核性が低い。したがって、ホルミル化反応を起こすには、AIRCARのN5求核剤を活性化する必要がある。ヒスチジン268とリジン267は触媒に不可欠であることがわかっており、すべてのAICARトランスフォミラーゼに保存されている。ヒスチジン268はAICARのN5求核剤の脱プロトン化に関与し、リジン267は四面体中間体を安定化させると考えられている。^[13]

ε-ホルミル化は、ヒストンタンパク質上で起こる多くの翻訳後修飾の 1 つであり、クロマチン構造と遺伝子活性化を調節することが示されています。

ヒストンおよびタンパク質中のリジン残基のNεにホルミル化が確認されている。この修飾はリンカーヒストンおよび高移動度グループタンパク質で観察されており、非常に豊富で、クロマチン機能のエピジェネティクスに役割を果たしていると考えられている。ホルミル化されたリジンはDNA結合に役割を果たすことがわかっている。さらに、アセチル化およびメチル化されることも知られているヒストンリジンでホルミル化が検出されている。したがって、ホルミル化は他の翻訳後修飾をブロックする可能性がある。^[16] ホルミル化はヒストンH1の19の異なる修飾部位で最も頻繁に検出される。細胞の遺伝子発現はホルミル化によって大きく乱され、癌などの疾患を引き起こす可能性がある。これらの修飾の発生は酸化ストレスによる可能性がある。^[16]

ヒストンタンパク質では、リジンは一般にヒストンアセチルトランスフェラーゼ（HAT）およびヒストン脱アセチル化酵素（HDACまたはKDAC）によって修飾される。リジンのアセチル化は、特定の遺伝子の調節および発現の基本である。酸化ストレスは、ホルミルリン酸種の反応性が高いため、アセチルリジンがホルミルリジンの形成によってすぐに打ち負かされる可能性がある、著しく異なる環境を作り出す。この状況は、現在、酸化DNA損傷によって引き起こされると考えられている。ホルミルリン酸の形成メカニズムが提案されており、これは酸化的に損傷を受けたDNAに大きく依存し、主に細胞内のラジカル化学によって駆動される。^[17]生成されたホルミルリン酸は、リジンをホルミル化するために使用できる。酸化ストレスは、タンパク質表面のリジン残基の利用可能性とホルミル化の可能性に役割を果たしていると考えられている。

プリン生合成に関与する酵素の阻害は、化学療法の潜在的な薬物標的として利用されてきました。

がん細胞は分裂を促進するために高濃度のプリンを必要とし^{[12] 、}ヌクレオチドサルベージ経路よりもde novo合成に依存する傾向があります。^{[13] [18]} GARトランスフォルミラーゼとAICARトランスフォルミラーゼによるホルミル化反応を阻害するために、いくつかの葉酸ベースの阻害剤が開発されています。^[19]最初のGARトランスフォルミラーゼ阻害剤であるロメトレキソール[(6R)5,10-ジデアザテトラヒドロ葉酸]は、1980年代にイーライリリーと学術研究室の共同研究により開発されました。^[20] N10-ホルミル-THFと構造が似ていますが、ロメトレキソールは1炭素転移反応を行うことができません。^[19]さらに、GARトランスフォルミラーゼのGARベースの阻害剤もいくつか合成されています。^{[19]葉酸ベースの阻害剤の開発は、阻害剤が葉酸}ポリグルタミン酸合成 酵素のダウンレギュレーションも行うため、特に困難であることが判明している。この酵素は、細胞内に入った後、モノグルタミン酸葉酸と抗葉酸にγ-グルタミン酸を追加して酵素親和性を高める。この親和性の増加は、抗葉酸耐性につながる可能性がある。^[18]

リー症候群は、酵素のホルミル化反応の欠陥に関連する神経変性疾患です。リー症候群は、ミトコンドリアで起こる酸化的リン酸化の欠陥と典型的に関連しています。^[21] エクソームシーケンシングは、リー症候群の患者におけるミトコンドリアメチオニルtRNAホルミルトランスフェラーゼ（MTFMT）をコードする遺伝子の変異を特定するために使用されています。リー症候群の症状を引き起こすMTFMTで特定されたc.626C>T変異は、エクソンスプライシングを変化させ、フレームシフト変異と早期終止コドンにつながると考えられています。MTFMT c.626C>T変異を持つ人は、fMet-tRNAMetレベルの低下と、ミトコンドリアで翻訳されたCOX1のホルミル化レベルの変化が見つかりました。この関連性は、特定のミトコンドリア遺伝子の発現開始にホルミル化メチオニンが必要であることを示す証拠となります。^[22]

• ヒドロホルミル化
• ヒドロアシル化

• N-ホルミルメチオニン