ホスホフルクトキナーゼ2

ホスホフルクトキナーゼ-2（6-ホスホフルクト-2-キナーゼ、PFK-2）またはフルクトースビスホスファターゼ-2（FBPase-2）は、細胞内の解糖系と糖新生の速度を間接的に調節する酵素です。この酵素は、基質であるフルクトース-6-リン酸から、重要なアロステリック調節因子であるフルクトース-2,6-ビスリン酸（Fru-2,6-P ₂）の生成と分解を触媒します。Fru-2,6-P _{2は、解糖経路においてホスホフル}クトキナーゼ1を活性化し、糖新生においてフルクトース-1,6-ビスホスファターゼ1を阻害するため、解糖系の律速段階に寄与します。^{[ 1 ]} Fru-2,6-P ₂は解糖と糖新生を異なる方法で調節するため、相反する経路を切り替えるための重要なシグナルとして機能することができます。^{[ 1 ]} PFK-2 はホルモンシグナルに応答してFru-2,6-P _{2を生成するため、}代謝は生物の解糖ニーズに合わせてより敏感かつ効率的に制御できます。^{[ 2 ]}この酵素はフルクトースとマンノースの代謝に関与しています。この酵素は肝臓の炭水化物代謝の調節に重要であり、肝臓、腎臓、心臓に最も多く存在します。哺乳類では、複数の遺伝子が異なるアイソフォームをコードしていることが多く、それぞれ組織分布と酵素活性が異なります。^{[ 3 ]}ここで説明するファミリーはATP 駆動型ホスホフルクトキナーゼに似ていますが、配列類似性はほとんどなく、いくつかの残基がフルクトース 6-リン酸との相互作用に重要であるようです。^{[ 4 ]}

PFK-2は、その特徴的な構造から「二機能性酵素」として知られています。両方のドメインは1つのタンパク質ホモ二量体上に存在しますが、2つのドメインはそれぞれ独立して機能する酵素として作用します。^{[ 5 ]}一方の末端はキナーゼドメイン（PFK-2の場合）として機能し、もう一方の末端はホスファターゼドメイン（FBPase-2の場合）として機能します。^{[ 6 ]}

哺乳類では、遺伝的メカニズムによって組織特有のニーズに対応するために異なるPFK-2アイソフォームがコードされている。一般的な機能は同じだが、アイソフォームは酵素特性にわずかな違いがあり、異なる制御方法によって制御されている。これらの違いについては以下で説明する。^{[ 7 ]}

二機能性タンパク質のモノマーは、2つの機能ドメインに明確に分けられます。キナーゼドメインはN末端に位置しています。^{[ 8 ]}このドメインは、5本の平行ストランドと1本の逆平行エッジストランドからなる中央の6ストランドβシートで構成され、7本のαヘリックスに囲まれています。^{[ 6 ]}このドメインは、最初のβストランドのC末端にヌクレオチド結合フォールド（nbf）を含んでいます。^{[ 9 ]} PFK-2ドメインは、アデニル酸シクラーゼを含むモノヌクレオチド結合タンパク質のスーパーファミリーと密接に関連しているようです。^{[ 10 ]}

一方、ホスファターゼドメインはC末端に位置している。^{[ 11 ]}このドメインは、ホスホグリセリン酸ムターゼや酸性ホスファターゼを含むタンパク質ファミリーに類似している。^{[ 10 ] [ 12 ]}このドメインは、6本のストランドからなる中央のβシートと、分子の推定活性部位を覆う追加のαヘリックスサブドメインを持つ混合α/β構造である。^{[ 6 ]}最後に、N末端領域はPFK-2とFBPase2の活性を調節し、酵素の二量体形態を安定化させる。^{[ 12 ] [ 13 ]}

この中心触媒コアはすべてのPFK-2形態で保存されているが、異なるアミノ酸配列または選択的スプライシングの結果として、アイソフォームにはわずかな構造的差異が存在する。^{[ 14 ]}いくつかの小さな例外を除いて、PFK-2酵素のサイズは通常約55 kDaである。^{[ 1 ]}

研究者らは、この酵素の独特な二機能性構造は、原始的な細菌PFK-1と原始的なムターゼ/ホスファターゼの遺伝子融合によって生じたと仮説を立てている。^{[ 15 ]}

この酵素の主な機能は、添付の図に示すように、細胞または生物の解糖の必要性に応じて、アロステリック調節因子であるFru-2,6-P ₂ を合成または分解することです。

酵素学において、6-ホスホフルクト-2-キナーゼ（EC 2.7.1.105）は、以下の化学反応を触媒する酵素である。

ATP + β-D-フルクトース6-リン酸${\displaystyle \rightleftharpoons }$ADP + β-D-フルクトース2,6-ビスリン酸^{[ 16 ]}

このように、キナーゼドメインはATPを加水分解してフルクトース-6-リン酸の炭素2をリン酸化し、Fru-2,6-P2とADPを生成する_。反応_中にホスホヒスチジン中間体が形成される。^{[ 17 ]}

もう一方の末端では、フルクトース-2,6-ビスリン酸2-ホスファターゼ（EC 3.1.3.46 ）ドメインが、水の添加によってFru-2,6-P _{2を脱リン酸化します。この逆の化学反応は次のとおりです。}

β-D-フルクトース2,6-ビスリン酸+ _H₂O${\displaystyle \rightleftharpoons }$ D-フルクトース6-リン酸+リン酸^{[ 18 ]}

この酵素は二重の機能を持つため、複数のファミリーに分類できます。キナーゼ反応による分類では、この酵素はトランスフェラーゼファミリーに属し、特にアルコール基をアクセプターとしてリン含有基を転移する酵素（ホスホトランスフェラーゼ）に分類されます。^{[ 16 ]}一方、ホスファターゼ反応は加水分解酵素ファミリーの特徴であり、特にリン酸モノエステル結合に作用する酵素に分類されます。^{[ 18 ]}

ほぼすべてのアイソフォームにおいて、PFK-2は細胞のホルモンシグナル伝達に基づいてリン酸化/脱リン酸化による共有結合修飾を受ける。特定の残基のリン酸化は、キナーゼドメインまたはホスファターゼドメインのいずれかの機能を安定化させる変化を引き起こす可能性がある。したがって、この調節シグナルはF-2,6-P ₂が合成されるか分解されるかを制御する。^{[ 19 ]}

さらに、PFK2 のアロステリック調節はPFK1の調節と非常によく似ている。^{[ 20 ]} AMPまたはリン酸基のレベルが高いと、エネルギー電荷状態が低くなり、PFK2 が活性化される。一方、ホスホエノールピルビン酸(PEP) およびクエン酸の濃度が高いと、生合成前駆体のレベルが高くなり、PFK2 が阻害される。PFK1 とは異なり、PFK2 は ATP 濃度の影響を受けない。^{[ 21 ]}

タンパク質アイソザイムは、同じ反応を触媒する酵素ですが、異なるアミノ酸配列でコードされているため、タンパク質の特性にわずかな違いがあります。ヒトでは、ホスホフルクトキナーゼ2タンパク質をコードする4つの遺伝子には、PFKFB-1、PFKFB2、PFKFB3、PFKFB4が含まれます。^{[ 5 ]}

これまでに、このタンパク質の複数の哺乳類アイソフォームが報告されており、その違いは、異なる酵素の転写または選択的スプライシングによって生じている。^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]} PFK-2/FBPase-2反応を触媒する構造コアはアイソフォーム間で高度に保存されているが、主な違いは、アイソフォームのアミノ末端とカルボキシル末端の非常に可変な隣接配列から生じる。^{[ 14 ]}これらの領域にはリン酸化部位が含まれていることが多いため、アミノ酸組成または末端長の変化は、大きく異なる酵素の動力学と特性をもたらす可能性がある。^{[ 1 ] [ 14 ]}各バリアントは、主要な発現組織、タンパク質キナーゼ制御への応答、およびキナーゼ/ホスファターゼドメイン活性の比率が異なる。^{[ 25 ]} 1つの組織に複数のタイプのアイソザイムが存在する可能性があるが、アイソザイムは、以下に示すように、主要な組織発現と発見された組織によって識別される。^{[ 26 ]}

PFKB1: 肝臓、筋肉、胎児

X染色体上に位置するこの遺伝子は、特に研究が盛んな肝臓酵素をコードしているため、4つの遺伝子の中で最もよく知られています。^{[ 22 ]} PFKB1の可変mRNAスプライシングにより3つの異なるプロモーター（L、M、F）が生成され、したがって、調節が異なる3つの組織特異的バリアントが生成されます。^{[ 27 ]}

• L型：肝組織
  • インスリンは肝臓のPFK-2機能を活性化し、解糖に利用できる血糖値が高いことを示します。インスリンはタンパク質ホスファターゼを活性化し、PFK-2複合体を脱リン酸化してPFK-2の活性を高めます。PFK-2はF-2,6-P2の産生を増加させます。_この産物はアロステリックにPFK-1を活性化するため、解糖を活性化し、糖新生を阻害します。^{[ 28 ]}
  • 対照的に、グルカゴンはFBPase-2活性を増加させます。低血糖濃度では、グルカゴンはcAMPシグナルカスケードを誘発し、その結果、プロテインキナーゼA（PKA）がN末端付近のセリン32をリン酸化します。これにより、二機能性酵素のキナーゼとしての作用能力が不活性化され、ホスファターゼ活性が安定化されます。したがって、グルカゴンはF-2,6-P2の濃度を低下させ_、解糖の速度を遅くし、糖新生経路を刺激します。^{[ 29 ] [ 30 ]}

• M型：骨格筋組織、F型：線維芽細胞および胎児組織^{[ 31 ]}
  • 他のほとんどのPFK-2組織とは対照的に、骨格筋と胎児組織のPFK-2は、フルクトース-6-リン酸の濃度によってのみ調節されます。最初のエクソン内には、機能の変化を引き起こすためにリン酸化/脱リン酸化を必要とする調節部位はありません。高濃度のF-6-Pはキナーゼ機能を活性化し、解糖の速度を増加させますが、低濃度のF-6-Pはホスファターゼの作用を安定化させます。^{[ 27 ]}

PFKB3：脳、胎盤、誘導性

PFKB3は染色体10に位置し、誘導型と遍在型の2つの主要なアイソフォームを転写します。^{[ 34 ]}これらのフォームは、C末端のエクソン15の選択的スプライシングが異なります。^{[ 35 ]}しかし、両方ともグルカゴンがサイクリックAMP経路を活性化するという点で類似しています。これにより、プロテインキナーゼA、プロテインキナーゼC、またはAMP活性化プロテインキナーゼがC末端のセリン461の調節残基をリン酸化してPFK-2キナーゼ機能を安定化させます。^{[ 36 ]}さらに、この遺伝子から転写される両方のアイソフォームは、キナーゼ/ホスファターゼ活性比が700であることからわかるように、特に高い優勢なキナーゼ活性率を持つことが注目されています（一方、肝臓、心臓、精巣のアイソザイムはそれぞれPFK-2/FBPase-2比が1.5、80、4です）。^{[ 37 ]}したがって、特にPFKB3は、常に大量のF-2,6-P ₂を生成し、高い解糖率を維持します。^{[ 37 ] [ 38 ]}

• I型：誘導可能
  • このアイソフォームの名前は、低酸素ストレスに対する反応として発現が増加した結果であり、酸素不足によってその形成が誘導される。このタイプは、急速に増殖する細胞、特に腫瘍細胞で高発現している。^{[ 39 ]}
• U型：遍在性；^{[ 40 ]胎盤型[ 41 ]}または脳型^{[ 42 ] [ 43 ]}としても知られる。
  • 胎盤、膵臓β細胞、または脳組織で別々に発見されたものの、さまざまなアイソフォームは同一であるように見える。^{[ 21 ]}発見された組織はすべて機能するために大きなエネルギーを必要とするため、PFKB3 のキナーゼ-ホスファターゼ活性比が高いという利点を説明できるかもしれない。^{[ 37 ] [ 44 ]}
  • 特に脳型アイソフォームはN末端およびC末端領域が長く、このタイプは典型的なPFK-2のほぼ2倍の大きさで、約110 kDaである。^{[ 45 ]}

PFKB4：精巣（T型）

染色体3に位置する遺伝子PFKB4は、ヒト精巣組織でPFK-2を発現する。^{[ 46 ]} PFK-4によってコードされるPFK-2酵素は、肝臓の酵素とほぼ同じ大きさで約54kDaであり、筋肉組織と同様に、タンパク質キナーゼリン酸化部位を持たない。^{[ 40 ]}このアイソフォームの調節機構については研究があまり進んでいないが、5'側隣接領域の複数の転写因子による修飾が、発達中の精巣組織におけるPFK-2の発現量を調節することが研究で確認されている。^{[ 26 ]}このアイソフォームは、前立腺癌細胞の生存のために修飾され、過剰発現されることが特に示唆されている。^{[ 47 ]}

この酵素ファミリーは解糖と糖新生の速度を維持するため、特に糖尿病や癌細胞における代謝制御のための治療作用に大きな可能性を秘めている。^{[ 6 ] [ 25 ]}また、PFK-2遺伝子のすべてが（PFKB3遺伝子の応答が最も劇的であるが）酸素制限によって活性化されることもデータで示されている。^{[ 48 ]} PFK-2/FBP-ase2活性の制御は、特に虚血に対する心臓機能と低酸素症に対する制御に関連していることがわかった。^{[ 49 ]}研究者らは、PFK-2遺伝子のこの応答特性は、強力な進化的生理学的適応である可能性があると仮説を立てている。^{[ 48 ]}しかし、多くのヒト癌細胞型（白血病、肺、乳、結腸、膵臓、卵巣癌を含む）はPFK3および/またはPFK4の過剰発現を示しており、この代謝の変化はワールブルク効果に役割を果たしていると考えられる。^{[ 25 ] [ 50 ]}

最後に、 PFK2/FBPase2タンパク質をコードするPfkfb2遺伝子は、統合失調症の素因と関連している。^{[ 51 ]}

• Van Schaftingen E、Hers HG (1981)。「ホスホフルクトキナーゼ2：フルクトース6-リン酸とATPからフルクトース2,6-ビスリン酸を生成する酵素」。Biochem . Biophys . Res. Commun . 101 (3): 1078–84。Bibcode : 1981BBRC..101.1078S。doi : 10.1016 / 0006-291X(81 ) 91859-3。PMID 6458291 。 

• 米国国立医学図書館の医学主題見出し（MeSH）におけるフルクトース+2,6-ビスホスファターゼ
• シロイヌナズナの6-ホスホフルクトキナーゼ（genome.jp）

この記事には、パブリックドメインであるPfamおよびInterPro IPR013079のテキストが含まれています。