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グルコース-6-リン酸デヒドロゲナーゼ（G6PDまたはG6PDH）（EC 1.1.1.49）は、化学反応を触媒する細胞質酵素です。[ 1 ]
この酵素は、補酵素ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドリン酸（NADPH）の還元型のレベルを維持することによって、細胞（赤血球など）に還元エネルギーを供給する代謝経路であるペントースリン酸経路（図を参照）に関与しています。NADPHは、これらの細胞内のグルタチオンのレベルを維持し、過酸化水素などの化合物による酸化損傷から赤血球を保護するのに役立ちます。[ 2 ]量的にさらに重要なのは、肝臓、乳腺、脂肪組織、副腎などの脂肪酸またはイソプレノイドの生合成に関与する組織のためのNADPHの生成です。G6PDは、グルコース-6-リン酸を酸化しながらNADP +をNADPHに還元します。[ 3 ]グルコース-6-リン酸デヒドロゲナーゼは、解糖の一種であるエントナー-ドゥドロフ経路の酵素でもあります。
G6PDは、細菌からヒトまで多くの種に広く分布しています。異なる生物由来の100を超える既知のG6PDの多重配列アライメントでは、30%から94%の配列同一性が明らかになっています。[ 5 ]ヒトG6PDは、他の種のG6PD配列とアミノ酸配列で30%以上の同一性を持っています。 [ 6 ]ヒトには、 G6PDをコードする単一の遺伝子の2つのアイソフォームもあります。 [ 7 ]さらに、この遺伝子には少なくとも168の疾患原因変異が発見されています。[ 8 ]これらの変異は主にアミノ酸置換を引き起こすミスセンス変異であり、[ 9 ]その一部はG6PD欠損症を引き起こしますが、他の一部は目立った機能的差異を引き起こさないようです。[ 9 ]一部の科学者は、ヒトG6PDの遺伝的変異の一部は、マラリア感染への適応の世代を経て生じたと提唱しています。[ 10 ]
他の種でもG6PDの変異が見られる。高等植物では、細胞質、色素体ストロマ、ペルオキシソームに局在するG6PDHのいくつかのアイソフォームが報告されている。[ 11 ] NADP +依存性とは対照的に、改変されたF420依存性G6PDが結核菌に見られ、結核の治療に関心を集めている。[ 12 ] Leuconostoc mesenteroidesで見つかった細菌性G6PDは、G6Pに加えて4-ヒドロキシノネナールにも反応することが示されている。[ 13 ]
G6PDは一般的に、 2つの同一のモノマーからなる二量体として存在します（メインサムネイルを参照）。[ 9 ] pHなどの条件によっては、これらの二量体自体が二量体化して四量体を形成することがあります。[ 6 ]複合体内の各モノマーは、G6Pに結合する基質結合部位と、ロスマンフォールドを使用してNADP + /NADPHに結合する触媒補酵素結合部位を持っています。[ 5 ]ヒトなどの一部の高等生物では、G6PDにはNADP +構造部位と呼ばれる追加のNADP +結合部位が含まれていますが、これはG6PDによって触媒される反応に直接関与していないようです。NADP +構造部位の進化上の目的は不明です。[ 5 ]サイズに関しては、各モノマーは約500アミノ酸長です（ヒトの場合は514アミノ酸[ 6 ]）。
ヒトG6PDとLeuconostoc mesenteroides G6PDの機能的および構造的保存性から、酵素上には3つの広く保存された領域が存在することが示唆される。基質結合部位にある9残基のペプチドRIDHYLGKE（ヒトG6PDの198～206番目の残基）、ヌクレオチド結合フィンガープリントGxxGDLA（ヒトG6PDの38～44番目の残基）、および基質結合部位付近にある部分的に保存された配列EKPxG（ヒトG6PDの170～174番目の残基）である。ここで「x」は可変アミノ酸を表すために使用している。[ 5 ] G6PDの結晶構造は、G6P、3つの水分子、3つのリジン残基、1つのアルギニン、2つのヒスチジン、2つのグルタミン酸、およびその他の極性アミノ酸を含む、静電相互作用と水素結合の広範なネットワークを明らかにしている。
172位のプロリンは、基質であるG6Pに対してLys171を正しく配置する上で重要な役割を果たしていると考えられている。正常なヒトG6Pの2つの結晶構造では、Pro172はシス配座のみで観察されるが、疾患を引き起こす変異体（Canton R459L変異体）の結晶構造では、Pro172はほぼトランス配座のみで観察される。[ 5 ]
結晶構造が利用可能になったことで、一部の科学者は他の変異体の構造をモデル化しようと試みてきました。たとえば、G6PD欠損による酵素障害がまれなドイツ系の人々では、G6PDの変異部位はNADP +結合部位、G6P結合部位、および2つのモノマー間の界面付近にあることが示されています。したがって、これらの重要な領域での変異は、G6PDの機能を完全に破壊することなく起こり得ます。[ 9 ]実際、G6PDの疾患を引き起こす変異のほとんどは、NADP +構造部位付近で発生することが示されています。[ 14 ]
NADP +構造部位は、基質結合部位および触媒補酵素 NADP +結合部位から 20Å 以上離れた位置にあります。酵素触媒反応におけるその役割は、長年にわたり不明でした。しばらくの間、構造部位への NADP + の結合は酵素モノマーの二量体化に必要であると考えられていました。しかし、これは誤りであることが示されました。[ 14 ]一方、構造部位に NADP +が存在すると、二量体の二量体化が促進され、酵素四量体が形成されることが示されました。[ 14 ]また、四量体状態が触媒活性に必要であると考えられていましたが、これも誤りであることが示されました。[ 14 ] NADP +構造部位は、NADP +触媒補酵素結合部位とはかなり異なり、ヌクレオチド結合のフィンガープリントを含んでいます。
NADP +が結合する構造部位は、その結合を強固に保つための好ましい相互作用を有している。特に、水素結合の強力なネットワークが存在し、静電荷は4つの水分子との水素結合を介して複数の原子に拡散している（図参照）。さらに、 π電子系が重なり合う非常に強い疎水性スタッキング相互作用も存在する。
構造部位は、酵素の長期安定性を維持する上で重要であることが示されている。[ 14 ] 40を超える重篤なクラスI変異は、構造部位付近の変異に関係しており、その結果、体内のこれらの酵素の長期安定性に影響を与え、最終的にG6PD欠損症を引き起こす。[ 14 ]例えば、2つの重篤なクラスI変異であるG488SとG488Vは、NADP +と構造部位間の解離定数を7～13倍に大幅に増加させる。残基488がArg487に近接していることから、位置488の変異はNADP +に対するArg487の位置に影響を与え、[ 14 ]その結果、結合を阻害する可能性があると考えられている。
G6PDはG6Pを6-ホスホグルコノ-δ-ラクトンに変換する酵素であり、ペントースリン酸経路の律速酵素である。したがって、G6PDの調節は、ペントースリン酸経路の残りの部分の活性に下流的な影響を及ぼす。
グルコース-6-リン酸デヒドロゲナーゼは、その基質であるG6Pによって活性化されます。生合成に関与する組織の細胞質におけるNADPH/NADP +の通常の比率は約100/1です。脂肪酸生合成のためのNADPHの利用が増加すると、NADP +のレベルが劇的に増加し、G6PDがより多くのNADPHを生成するように刺激されます。酵母G6PDは、2つの古い出版物[ 15 ] [ 16 ]によると長鎖脂肪酸によって阻害され、NADPHを必要とする脂肪酸合成における生成物阻害である可能性があります。
G6PDは、進化的に保存された残基であるリジン403（Lys403）のアセチル化によって負に制御されます。K403がアセチル化されたG6PDは活性二量体を形成できず、活性を完全に失います。メカニズム的には、Lys403のアセチル化はNADP +がNADP +構造部位に入ることを立体的に妨げ、酵素の安定性を低下させます。細胞は細胞外の酸化刺激を感知し、SIRT2依存的にG6PDのアセチル化を減少させます。SIRT2を介したG6PDの脱アセチル化と活性化は、ペントースリン酸経路を刺激して細胞質NADPHを供給し、酸化損傷に対抗してマウス赤血球を保護します。[ 17 ]
調節は遺伝的経路によっても起こり得る。アイソフォームであるG6PDHは、転写因子および転写後因子によって調節される。[ 18 ]さらに、G6PDは、転写因子である低酸素誘導因子1 （HIF1）によって活性化される解糖系酵素の1つである。[ 19 ]
G6PDは遺伝的多様性が際立っている。G6PDの多くの変異体は、主にミスセンス変異によって生じ、酵素活性のレベルや関連する臨床症状が大きく異なることが報告されている。この遺伝子には、異なるアイソフォームをコードする2つの転写バリアントが見つかっている。[ 20 ]
グルコース-6-リン酸デヒドロゲナーゼ欠損症は世界中で非常に一般的であり、単純な感染症、ソラマメの摂取、または特定の医薬品、抗生物質、解熱剤、抗マラリア薬との反応がある場合に急性溶血性貧血を引き起こします。[ 4 ]
細胞の成長と増殖はG6PDの影響を受ける。[ 21 ]薬理学的にG6PDを阻害すると、乳がん細胞のアントラサイクリンに対する交差耐性を克服できることが示されている。[ 22 ] G6PD阻害剤は、がんやその他の疾患の治療のために研究されている。[ 19 ]試験管内細胞増殖アッセイでは、G6PD阻害剤であるDHEA（デヒドロエピアンドロステロン）とANAD（6-アミノニコチンアミド）がAML細胞株の増殖を効果的に減少させることが示されている。[ 21 ] [ 23 ]急性骨髄性白血病ではG6PDのK403が低メチル化されており、SIRT2がG6PDを活性化してNADPH産生を増強し、白血病細胞の増殖を促進する。[ 23 ]
