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グリオキシル酸回路は、トリカルボン酸回路の変種であり、植物、細菌、原生生物、真菌類で起こる同化経路である。グリオキシル酸回路は、炭水化物の合成のためにアセチルCoAをコハク酸に変換することを中心としている。[ 1 ]微生物では、グリオキシル酸回路により、細胞はグルコースやフルクトースなどの単純糖が利用できない場合に、酢酸などの2炭素化合物（C2化合物）を使用して細胞の炭素要求を満たすことができる。 [ 2 ]この回路は、胚発生の初期段階の線虫を除いて、動物には一般的に存在しないと考えられている。しかし近年、グリオキシル酸回路に関与する主要酵素であるリンゴ酸シンターゼ（MS）とイソクエン酸リアーゼ（ICL）が一部の動物組織で検出されたことで、細菌と動物の酵素の進化上の関係について疑問が生じ、動物は非後生動物種で知られているMSとICLとは機能が異なる代替酵素をコードしている可能性が示唆されている。[ 1 ] [ 3 ]
植物、一部の藻類、および細菌は、炭素化合物の生成において酢酸を炭素源として利用することができる。植物と細菌は、TCAサイクルの改良型であるグリオキシル酸回路を用いて、2つの酢酸炭素単位から4つの炭素からなるジカルボン酸を生成する。グリオキシル酸回路は、TCAサイクルの2つの酸化的脱炭酸反応を迂回し、イソクエン酸リアーゼとリンゴ酸シンターゼを介してイソクエン酸を直接リンゴ酸とコハク酸に変換する。
グリオキシル酸回路は、1957年にオックスフォード大学でハンス・コーンバーグ卿と彼の指導者ハンス・クレブスによって発見され、その結果はネイチャー誌に「改良型トリカルボン酸回路によるC2単位からの細胞成分の合成」という論文として発表された。[ 4 ]コーンバーグとクレブスは、C-14酢酸による同位体標識を用いて、グリオキシル酸経路では、酢酸がTCA回路の脱炭酸ステップを迂回してコハク酸中間体に組み込まれることを実証した。同位体実験による彼らの結果は、代替グリオキシル酸回路の基礎を築き、植物や微生物が2炭素分子を炭水化物に変換する仕組みを説明した。[ 4 ]この発見を受けて、1967年にブライデンバッハとビーバーズは、ヒマ（Ricinus communis）にグリオキシソームと呼ばれる特殊な細胞小器官があることを発見した。グリオキシソームは特殊なペルオキシソームであり、グリオキシル酸回路の酵素が存在し、植物内で回路が行われる場所である。[ 5 ]
グリオキシル酸回路は、トリカルボン酸回路に関連する 8 つの酵素のうち 5 つ、すなわちクエン酸シンターゼ、アコニターゼ、コハク酸デヒドロゲナーゼ、フマラーゼ、およびリンゴ酸デヒドロゲナーゼを使用します。 2 つの回路の違いは、グリオキシル酸回路では、イソクエン酸がα-ケトグルタル酸ではなく、イソクエン酸リアーゼ (ICL) によってグリオキシル酸とコハク酸に変換される点です。 [ 1 ]これにより、クエン酸回路 (TCA 回路) で行われる脱炭酸ステップがスキップされ、単純な炭素化合物が、グルコースを含む高分子の後の合成に使用できるようになります。[ 2 ]グリオキシル酸は、その後、リンゴ酸シンターゼによって触媒され、アセチル-CoAと結合してリンゴ酸を生成します。[ 1 ]リンゴ酸は、コハク酸デヒドロゲナーゼとフマラーゼの作用によってコハク酸からも並行して生成されます。
2つのサイクルの違いは、それらの正味の式から見ることができます。クエン酸回路では、アセチルCoAの一部である2つの炭素が二酸化炭素として失われ、結果として正味の炭素損失が生じます。クエン酸回路とは異なり、グリオキシル酸回路は2つの脱炭酸を省略します。これにより、グリオキシル酸回路はアセチルCoAからグルコースを正味合成することができます。グリオキシル酸回路の正味の式は次のとおりです。2アセチルCoA + NAD + + 2H 2 O → コハク酸 + 2CoA + NADH + H + 。[ 6 ]
グリオキシル酸回路の調節には炭素源の利用可能性が関係しており、主要酵素の転写レベルを制御しています。炭素異化抑制は、細菌や真菌で起こる主要なプロセスであり、グリオキシル酸回路の転写レベルを調節し、グルコースが利用できない場合に回路が活性化されることを保証します。[ 2 ]例えば、大腸菌では、イソクエン酸分岐点の調節は、IclRとFadRの転写レベルを調節することによって、また、脱水素酵素キナーゼとホスファターゼの両方として機能する二機能性酵素であるAceKを介して行われます。AceKは、イソクエン酸脱水素酵素の調節と、クエン酸回路およびグリオキシル酸回路におけるその切り替え役割を担っています。炭素原子がグリオキシル酸回路で使用されるか、クエン酸回路で使用されるかを決定します。イソクエン酸デヒドロゲナーゼのリン酸化は、AceKキナーゼ機能によって触媒され、その活性を低下させますが、このリン酸化は可逆的です。[ 7 ]植物では、グリオキシル酸回路の調節は、種子の発芽過程における転写レベルの調節と貯蔵脂質の動員によって達成されます。 [ 8 ]結核菌などの細菌では、グリオキシル酸回路は、特にグルコースが不足している場合や宿主感染時に必要とされる場合に上方制御されます。この調節は、病原性感染の増殖と毒性に寄与します。[ 9 ]全体として、これらの調節は、炭素源が制限されている場合に炭素の保存を可能にし、主要な代謝産物の生合成を活性化します。
脂質由来の脂肪酸は、脊椎動物にとってエネルギー源として広く利用されています。脂肪酸はβ酸化によって酢酸分子に分解されます。この酢酸は、補酵素Aの活性チオール基に結合し、クエン酸回路（TCA回路）に入り、そこで完全に酸化されて二酸化炭素になります。このようにして、細胞は脂肪からエネルギーを得ることができます。脂肪由来の酢酸を炭水化物の生合成に利用するには、TCA回路と初期反応が同じグリオキシル酸回路が用いられます。
植物、真菌、細菌などの細胞壁を持つ生物は、セルロース、グルカン、キチンなどの複雑な構造多糖類の生合成のために、成長中に非常に大量の炭水化物を必要とします。これらの生物では、利用可能な炭水化物がない場合（例えば、特定の微生物環境や植物の種子発芽時など）、グリオキシル酸回路によって、脂肪酸β酸化で生成された酢酸を介して脂質からグルコースが合成されます。
グリオキシル酸回路は、クエン酸回路で炭素がCO₂の形で失われる段階を省略します。グリオキシル酸回路の最初の2つの段階は、クエン酸回路のそれと同じです。すなわち、酢酸→クエン酸→イソクエン酸です。次の段階では、グリオキシル酸回路の最初の酵素であるイソクエン酸リアーゼによって触媒され、イソクエン酸はコハク酸とグリオキシル酸に分解されます（後者が回路の名前の由来となっています）。グリオキシル酸はアセチルCoAと縮合し（この段階はリンゴ酸シンターゼによって触媒されます）、リンゴ酸が生成されます。リンゴ酸とオキサロ酢酸はどちらもホスホエノールピルビン酸に変換できます。ホスホエノールピルビン酸は、糖新生の最初の酵素であるホスホエノールピルビン酸カルボキシキナーゼの産物です。したがって、グリオキシル酸回路の最終的な結果は、脂肪酸からグルコースが生成されることです。最初の段階で生成されたコハク酸はクエン酸回路に入り、最終的にオキサロ酢酸を形成する。[ 2 ]
植物では、グリオキシル酸回路はグリオキシソームと呼ばれる特殊なペルオキシソームで起こります。この回路により、種子は発芽時に脂質をエネルギー源として利用し、芽を形成することができます。種子には光合成を行う器官がないため、光合成によってバイオマスを生成することはできません。発芽中の種子に蓄えられた脂質は、生物の成長と発達に必要な炭水化物の生成に利用されます。
グリオキシル酸回路は、植物に代謝的多様性のもう1つの側面も提供する。この回路により、植物は酢酸を炭素源とエネルギー源の両方として取り込むことができる。酢酸はアセチルCoAに変換される（TCA回路と同様）。このアセチルCoAはグリオキシル酸回路を進み、回路中にコハク酸が放出される。4炭素のコハク酸分子は、他の代謝プロセスとの組み合わせにより、さまざまな炭水化物に変換することができる。植物は、酢酸を炭素源として分子を合成することができる。アセチルCoAはグリオキシル酸と反応してNADP+からNADPHを生成することもでき、これは電子伝達系の後半でATPの形でエネルギー合成を促進するために使用される。[ 10 ]
グリオキシル酸回路は、病原性真菌の一部の種では全く異なる目的を果たしている可能性がある。グリオキシル酸回路の主要酵素であるICLとMSのレベルは、ヒト宿主との接触により大幅に増加する。ICLを欠損した特定の真菌種の変異体は、野生型と比較してマウスを用いた研究で病原性が著しく低下した。これら2つの観察結果の正確な関連性はまだ研究中であるが、グリオキシル酸回路はこれらの微生物の病原性において重要な因子であると結論づけることができる。[ 11 ] [ 12 ]
脊椎動物はかつて、このサイクルの2つの主要酵素であるイソクエン酸リアーゼとリンゴ酸シンターゼの存在が証明されていないため、このサイクルを実行できないと考えられていました。しかし、いくつかの研究では、この経路はすべての脊椎動物ではないにしても、一部の脊椎動物に存在する可能性があることが示唆されています。 [ 13 ] [ 14 ]具体的には、いくつかの研究では、ニワトリの肝臓組織にグリオキシル酸回路の構成要素がかなりの量存在する証拠が示されています。このようなデータは、このサイクルが理論的には最も複雑な脊椎動物でも起こり得るという考えを支持しています。[ 15 ]特定の線虫種にこのサイクルが存在するという強力な証拠があります。後に否定された他の実験では、このサイクルが特定の昆虫や海洋無脊椎動物種に存在することが示唆されました。[ 16 ]哺乳類 におけるこのサイクルの存在については、いくつかの出版物で矛盾しています。たとえば、ある論文では、グリオキシル酸回路は冬眠中のクマで活性化していると述べていますが、[ 17 ]この報告は後の論文で異議を唱えられました。[ 18 ]褐色脂肪と腎臓で発現するミトコンドリア由来の二重機能を持つリンゴ酸/β-メチルリンゴ酸シンターゼであるCLYBLにより、ヒトにリンゴ酸シンターゼ活性が存在するという証拠がある。[ 19 ]ビタミンDは脊椎動物でこの経路を調節する可能性がある。[ 15 ] [ 20 ]
グリオキシル酸回路は真菌や細菌などの病原体の代謝において中心的な役割を担っているため、グリオキシル酸回路の酵素は現在、疾患治療の阻害標的となっている。報告されているグリオキシル酸回路の阻害剤のほとんどは、回路の最初の酵素（ICL）を標的としている。カンジダ・アルビカンスに対する阻害剤は、抗真菌剤としての使用の可能性が報告されている。[ 21 ]マイコバクテリアのグリオキシル酸回路も、結核の治療の可能性を秘めた標的となっている。[ 22 ] [ 23 ]
哺乳類に様々な代謝経路を導入する見込みは、今日、生物工学者にとって大きな関心事となっている。グリオキシル酸回路は、工学者が哺乳類細胞に導入しようと試みてきた経路の一つである。これは主に、グルコース貯蔵量へのアクセスによって制限される羊の羊毛生産量を増やすために工学者が関心を持っている。この経路を羊に導入することで、細胞内の大量の酢酸貯蔵量を利用して回路を通してグルコースを合成し、羊毛生産量を増やすことができる。 [ 24 ]哺乳類は、この回路を実行するために必要な2つの酵素、イソクエン酸リアーゼとリンゴ酸シンターゼがないため、この経路を実行することができない。しかし、これらの酵素を生成する遺伝子は哺乳類では偽遺伝子であり、遺伝子が必ずしも存在しないわけではなく、単に「オフ」になっているだけだと考える人もいる。[ 1 ]
細胞に経路を組み込むためには、酵素をコードする遺伝子を単離して配列決定する必要があり、これは細菌E.coliを用いて行われ、イソクエン酸リアーゼをコードするAceA遺伝子とリンゴ酸シンターゼをコードするAceB遺伝子の配列が決定された。[ 24 ]エンジニアは、培養中の哺乳類細胞にAceA遺伝子とAceB遺伝子をうまく組み込むことができ、細胞は遺伝子を適切な酵素に翻訳および転写することに成功し、細胞の機能や健康を損なうことなく遺伝子を細胞のDNAにうまく組み込むことができることを証明した。しかし、遺伝子組み換えマウスに経路を組み込むことはエンジニアにとって困難であることがわかった。DNAは試験動物の肝臓や小腸などのいくつかの組織で発現しているが、発現レベルは高くなく、統計的に有意ではないことが判明している。この経路をうまく設計するためには、エンジニアは遺伝子をプロモーターと融合させ、発現レベルを上昇させ、上皮細胞などの適切な細胞で発現させる必要があるだろう。[ 25 ]
ヒツジなどのより複雑な動物にこの経路を導入する試みは効果的ではなかった。これは、このテーマについてさらに多くの研究が必要であることを示しており、動物におけるこのサイクルの高発現は細胞の化学的性質によって許容されない可能性があることを示唆している。哺乳類にこのサイクルを組み込むには、核移植技術の進歩が役立つだろう。これにより、エンジニアは動物への導入前に、ゲノム内での機能的統合のために経路を調べてアクセスできるようになる。[ 24 ]
しかし、哺乳類細胞にこのサイクルが存在しないことには、利点もある可能性がある。このサイクルは病気を引き起こす微生物には存在するが、哺乳類、例えばヒトには存在しない。グリオキシル酸回路を攻撃する抗生物質が開発されれば、このサイクルに依存して生存する病原微生物を殺せる一方で、このサイクル、ひいては抗生物質が標的とする酵素が存在しないヒトには害を与えないという可能性が非常に高い。[ 2 ]