リポキシゲナーゼ

リポキシゲナーゼ
ウサギ網状赤血球15S-リポキシゲナーゼの構造[1]
識別子
シンボル	リポキシゲナーゼ
パム	PF00305
インタープロ	著作権
プロサイト	PDOC00077
SCOP2	2sbl / スコープ / SUPFAM
OPMスーパーファミリー	80
OPMタンパク質	午後2時
利用可能なタンパク質構造: パム   構造 / ECOD   ＰＤＢ RCSB PDB; PDBe; PDBj PDBサム 構造の概要

リポキシゲナーゼ( EC 1.13.11.-) ( LOX ) は、鉄含有酵素( 非ヘム)のファミリーであり、より具体的には酸化酵素です。そのほとんどは、cis,cis-1,4-ペンタジエンを含む脂質中の多価不飽和脂肪酸の二酸素化を触媒し、親細胞の機能を制御する自己分泌シグナル、近傍細胞の機能を制御する傍分泌シグナル、および遠方の細胞の機能を制御する内分泌シグナルなど、多様な役割を果たす細胞シグナル伝達物質に変換します。

リポキシゲナーゼは、類似した遺伝子構造と二酸素化活性に基づいて互いに関連しています。しかし、リポキシゲナーゼの 1 つである ALOXE3 は、リポキシゲナーゼの遺伝子構造を持ちながら、二酸素化活性が比較的低く、むしろその主な活性は、ヒドロペルオキシ不飽和脂肪酸を 1,5-エポキシド、ヒドロキシル誘導体に変換する触媒作用を持つ異性化酵素であるようです。

リポキシゲナーゼは真核生物（植物、真菌、動物、原生生物）に存在します。陸生生物の3番目のドメインである古細菌は、リポキシゲナーゼとわずかに（約20％）のアミノ酸配列類似性を持つタンパク質を持っていますが、これらのタンパク質には鉄結合残基がないため、リポキシゲナーゼ活性を持たないと考えられています。^[2]

15-リポキシゲナーゼ1および安定化5-リポキシゲナーゼの詳細な分析に基づくと、リポキシゲナーゼの構造は、15キロダルトンのN末端ベータバレルドメイン、小さな（例えば約0.6キロダルトン）リンカーインタードメイン（タンパク質ドメイン§ドメインとタンパク質の柔軟性を参照）、および酵素の触媒活性に重要な非ヘム鉄を含む比較的大きなC末端触媒ドメインで構成されています。^{[3]ほとんどのリポキシゲナーゼ（ALOXE3を除く）は}、多価不飽和脂肪酸+ O ₂ → 脂肪酸ヒドロペルオキシドの反応を4段階で触媒します。

• ビスアリルメチレン炭素から水素を引き抜いてその炭素に脂肪酸ラジカルを形成する律速段階
• ラジカルを別の炭素中心に転位させる
• 分子状酸素（O ₂）が転位した炭素ラジカル中心に付加され、その炭素にペルオキシラジカル（—OO·）結合が形成される。
• ペルオキシラジカルを対応するアニオン（—OO ⁻）に還元する

その後、 （−OO ⁻）残基はプロトン化されてヒドロペルオキシド基（−OOH）を形成し、さらにリポキシゲナーゼによってロイコトリエン、ヘポキシリン、およびさまざまな特殊な分解促進メディエーターに代謝されるか、または遍在する細胞内グルタチオンペルオキシダーゼによってヒドロキシ基に還元され、ヒドロキシエイコサテトラエン酸やHODE （すなわちヒドロキシオクタデカエン酸）などのヒドロキシル化（−OH）多価不飽和脂肪酸が形成される。^[3]

1つ以上のリポキシゲナーゼの基質となる多価不飽和脂肪酸には、オメガ6脂肪酸、アラキドン酸、リノール酸、ジホモ-γ-リノレン酸、アドレナリン酸、オメガ3脂肪酸、エイコサペンタエン酸、ドコサヘキサエン酸、α-リノレン酸、オメガ9脂肪酸、ミード酸などがあります。^[4]特定の種類のリポキシゲナーゼ、例えばヒトおよびマウスの15-リポキシゲナーゼ1、12-リポキシゲナーゼB、ALOXE3は、皮膚のリン脂質、コレステロールエステル、複合脂質の成分である脂肪酸基質を代謝することができます。^{[3]ほとんどのリポキシゲナーゼは、最初に形成された}S キラリティーを持つヒドロペルオキシ生成物の形成を触媒します。この規則の例外としては、ヒトや他の哺乳類の12R-リポキシゲナーゼが挙げられる（下記参照）。^{[3] [4] [5]}

リポキシゲナーゼは、その多価不飽和脂肪酸基質の利用可能性に依存しており、特に哺乳類細胞では、通常、その利用可能性は極めて低いレベルに維持されています。一般的に、さまざまなホスホリパーゼ A2とジアシルグリセロールリパーゼは、細胞刺激中に活性化され、これらの脂肪酸を貯蔵部位から放出し、それによってリポキシゲナーゼ依存性代謝物の形成における重要な調節因子となります。^[3]さらに、活性化された細胞は、放出された多価不飽和脂肪酸を隣接または近くの細胞に転送し、その後、それらの細胞は、経細胞代謝または経細胞生合成と呼ばれるプロセスで、リポキシゲナーゼ経路を介してそれらを代謝します。^[6]

これらの酵素は植物に最も多く存在し、成長や発達、害虫抵抗性、老化や傷害への反応など、植物生理学のさまざまな側面に関与している可能性がある。^[7]哺乳類では、いくつかのリポキシゲナーゼアイソザイムがエイコサノイド（プロスタグランジン、ロイコトリエン、非古典的エイコサノイドなど）の代謝に関与している。^[8]以下のリポキシゲナーゼの配列データが利用可能である。

植物は、さまざまな細胞質リポキシゲナーゼ（EC 1.13.11.12; InterPro :  IPR001246）と、葉緑体アイソザイムと思われるものを発現します。^{[9]植物リポキシゲナーゼは}ヒドロペルオキシドリアーゼ と連携して、多くの芳香剤やその他のシグナル伝達化合物に関与しています。一例として、刈りたての草の香りであるシス-3-ヘキセナールが挙げられます。

5-LOXをコードする遺伝子（ ALOX5）は染色体10q11.2に位置し、例外として、ヒトのLOX遺伝子6つはすべて染色体17.p13に位置し、 662～711個のアミノ酸からなる75～81キロダルトンの単鎖タンパク質をコードしています。哺乳類のLOX遺伝子には、高度に保存された位置にあるエクソン/イントロン境界を持つ14個（ALOX5、ALOX12、ALOX15、ALOX15B）または15個（ALOX12B、ALOXE3）のエクソンが含まれています。 ^{[11] [12]} 6つのヒトリポキシゲナーゼとそれらが生成する主要な生成物の一部、および遺伝性疾患との関連性は次のとおりです。^{[11] [13] [14] [15] [16]}

• アラキドン酸 5-リポキシゲナーゼ(ALOX5) ( EC 1.13.11.34; InterPro :  IPR001885 )、5-リポキシゲナーゼ、5-LOX、5-LO とも呼ばれます。主な生成物:アラキドン酸を5-ヒドロペルオキシエイコテトラエン酸 (5-HpETE) に代謝し、これが1) 5-ヒドロキシイコサテトラエン酸(5-HETE) に変換され、さらに5-オキソエイコサテトラエン酸(5-oxo-ETE) に変換されるか、2) ロイコトリエン A4 (LTA4) に変換され、さらにロイコトリエン B4 (LTB4) またはロイコトリエン C4 (LTC4) に変換されるか (LTC4 はさらにロイコトリエン D4 [LTD4]に代謝され、さらにロイコトリエン E4 [LTE4] に代謝される)、または3) ALOX15 と連続して作用して、特殊な分解促進メディエーターであるリポキシンA4 および B4 に変換されます。 ALOX5 はまた、エイコサペンタエン酸を、4 つの二重結合を含むアラキドン酸代謝物とは対照的に、5 つの二重結合 (すなわち、5-HEPE、5-オキソ-EPE、LTB5、LTC5、LTD5、および LTE5) を含む一連の代謝物に代謝します。この酵素は、他のリポキシゲナーゼ、シクロオキシゲナーゼ、またはシトクロム P450酵素と連続して作用する場合、エイコサペンタエン酸の E シリーズ レゾルビン ( Resolvin § Resolvin Esを参照) への代謝、およびドコサヘキサエン酸のD シリーズ レゾルビン ( Resolvin § Resolvin Dsを参照) への代謝に寄与します。これらのレゾルビンは、特殊なプロレゾルビング メディエーターとしても分類されます。
• アラキドン酸 12-リポキシゲナーゼ(ALOX12) ( EC 1.13.11.31; InterPro :  IPR001885 ) は、12-リポキシゲナーゼ、血小板型血小板リポキシゲナーゼ (または 12-リポキシゲナーゼ、血小板型) 12-LOX、12-LO とも呼ばれます。アラキドン酸を 12-ヒドロペルオキシエイコサテトラエン酸 (12-HpETE) に代謝し、これがさらに12-ヒドロキシエイコサテトラエン酸(12-HETE) またはさまざまなヘポキシリンに代謝されます ( 12-ヒドロキシエイコサテトラエン酸も参照)。
• アラキドン酸 15-リポキシゲナーゼ-1 (ALOX15) ( EC 1.13.11.33; InterPro :  IPR001885 )、別名 15-リポキシゲナーゼ-1、赤血球型 15-リポキシゲナーゼ (または 15-リポキシゲナーゼ、赤血球型)、網赤血球型 15-リポキシゲナーゼ (または 15-リポキシゲナーゼ、網赤血球型)、15-LO-1、および 15-LOX-1。 ALOX15 は、アラキドン酸を主に1) 15-ヒドロペルオキシエイコサテトラエン酸 (15-HpETE) に代謝し、これがさらに15-ヒドロキシイコサテトラエン酸(15-HETE) に代謝されますが、ごく少量の2) 12-ヒドロペルオキシエイコサテトラエン酸 (12-HpETE) にも代謝され、これがさらに12-ヒドロキシエイコサテトラエン酸に代謝され、おそらくヘポキシリンにも代謝されます。ALOX15 は実際にはアラキドン酸よりもリノール酸を好み、リノール酸を 12-ヒドロペルオキシオクタデカエン酸 (13-HpODE) に代謝し、これがさらに13-ヒドロキシオクタデカジエン酸(13-HODE)に代謝されます。 ALOX15 は、リポタンパク質中のリン脂質および/またはコレステロール、すなわちコレステロールエステルにエステル化された多価不飽和脂肪酸を代謝することができます。この特性とアラキドン酸を 12-HpETE および 15-HpETE に代謝する二重特異性は、マウスの ALOX15 の特性と類似しており、両酵素が 12/15-リポキシゲナーゼと呼ばれるようになりました。
• アラキドン酸15-リポキシゲナーゼII型（ALOX15B）は、15-リポキシゲナーゼ-2、15-LOX-2、15-LOX-2とも呼ばれます。^[17]アラキドン酸を15-ヒドロペルオキシエイコサテトラエン酸（15-HpETE）に代謝し、これがさらに15-ヒドロキシイコサテトラエン酸に代謝されます。ALOX15Bは、アラキドン酸を12-ヒドロペルオキシイコサテトラエン酸（12-（HpETE））に代謝する能力がほとんどないか全くなく、リノール酸を13-ヒドロペルオキシオクタデカエン酸（13-HpODE）に代謝する能力はごくわずかです。
• アラキドン酸12-リポキシゲナーゼ、12R型（ALOX12B）は、12 R -リポキシゲナーゼ、12 R -LOX、12 R -LOとも呼ばれます。^[18] この酵素はアラキドン酸を12 R -ヒドロキシエイコサテトラエン酸に代謝しますが、その触媒活性は低く、生理的に最も重要な基質はスフィンゴシンであると考えられています。スフィンゴシンには、カルボキシ末端でスフィンゴシンのsn-2窒素にアミド結合し、オメガヒドロキシ末端でリノール酸にエステル化された非常に長い鎖（炭素数16～34）のオメガヒドロキシ脂肪酸が含まれています。皮膚表皮細胞では、ALOX12Bはこのエステル化されたオメガヒドロキシアシルスフィンゴシン（EOS）のリノール酸を9 R -ヒドロペルオキシ類似体に代謝します。 ALOX12Bの不活性化変異は、ヒトの皮膚疾患である常染色体劣性先天性魚鱗癬様紅皮症（ARCI）と関連している。^{[18] [19]}
• 表皮型リポキシゲナーゼ（ALOXE3）は、eLOX3や表皮型リポキシゲナーゼとも呼ばれます。^[20]他のリポキシゲナーゼとは異なり、ALOXE3は潜在的なジオキシゲナーゼ活性のみを示します。むしろ、その主な活性は、特定の不飽和ヒドロペルオキシ脂肪酸を対応するエポキシアルコールとエポキシケト誘導体に代謝するヒドロペルオキシドイソメラーゼであり、そのためヘポキシリン合成酵素としても分類されます。 ALOXE3は12 S -ヒドロペルオキシエイコサテトラエン酸（12 S -HpETE）をヘポキシリンA3およびB3のR 立体異性体に代謝できるが、 Rヒドロペルオキシ不飽和脂肪酸の代謝を優先し、ALOX15Bによって作られたEOSの9( R )-ヒドロペルオキシ類似体をその9 R (10 R )、13 R -トランスエポキシ-11 E、13 Rおよび9-ケト-10 E、12 Z EOS類似体に効率的に変換する。^[19] ALOXE3は皮膚表皮でALOX12Bとともに後者の2つのEOS類似体を形成すると考えられている。ALOX3の不活性化変異は、ALOX12Bの不活性化変異と同様に、ヒトの常染色体劣性先天性魚鱗癬様紅皮症に関連している。^{[19] [20]} ALOX3の不活性化変異は、ヒトの疾患である葉状魚鱗癬にも関連している（表の「魚鱗癬 § 種類」の項目5を参照）。

2 つのリポキシゲナーゼが連続して作用して、どちらのリポキシゲナーゼの生成物ともまったく異なる活性を持つジヒドロキシまたはトリヒドロキシ生成物を生成することがあります。この連続代謝は、経細胞代謝と呼ばれるプロセスで、2 つのリポキシゲナーゼのうちの 1 つだけを発現する異なる細胞タイプで発生することがあります。たとえば、ALOX5 と ALOX15、あるいは ALOX5 と ALOX12 は連続的に作用してアラキドン酸をリポキシンに代謝します(15-ヒドロキシエイコサテトラエン酸 §§  15(S)-HpETE、15(S)-HETE、15(R)-HpETE、15(R)-HETE、および 15-オキソ-ETE のさらなる代謝と活性、およびリポキシンの合成を参照)。一方、ALOX15 およびおそらく ALOX15B は ALOX5 と作用してエイコサペンタエン酸をレゾルビン D に代謝します (レゾルビン § 生化学と生成を参照)。

マウスはリポキシゲナーゼの機能を調べるための一般的なモデルである。しかし、マウスとヒトのリポキシゲナーゼにはいくつかの重要な違いがあり、マウスの研究からヒトへの外挿を困難にしている。ヒトの6つの機能的リポキシゲナーゼとは対照的に、マウスには7つの機能的リポキシゲナーゼがあり、後者のいくつかはヒトの相同分子種とは異なる代謝活性を示す。^{[11] [19] [21]}特に、マウスAlox15はヒトALOX15とは異なり、アラキドン酸を主に12-HpETEに代謝し、マウスAlox15bはヒトALOX15bとは対照的に、主に8-リポキシゲナーゼであり、アラキドン酸を8-HpETEに代謝する。ヒトには、これに匹敵する8-HpETE形成リポキシゲナーゼはない。^[22]

• Alox5 は機能がヒト ALOX5 と似ているようです。
• Alox12 は、アラキドン酸を 12-HpETE に優先的に代謝するが、大量の 15-HpETE にも代謝するヒト ALOX12 とは異なり、アラキドン酸をほぼ排他的に 12-HpETE に代謝します。
• Alox15 (白血球型 12-Lox、12-Lox-l、12/15-Lox とも呼ばれる) は、標準的なアッセイ条件下でアラキドン酸を 15-HpETE および 12-HpETE 産物に 89 対 11 の比率で代謝するヒト ALOX15 とは異なり、アラキドン酸を 15-HpETE および 12-HpETE に 1 対 6 の比率で代謝する (つまり、その主な代謝物は 12-HpETE である)。また、ヒト ALOX15 は、アラキドン酸よりもリノール酸を基質として好み、それを 13-HpODE に代謝するが、Alox15 はリノール酸に対してほとんどまたは全く活性がない。Alox15 は、リン脂質およびコレステロールにエステル化された多価不飽和脂肪酸(コレステロール エステル) を代謝することができる。この特性は、アラキドン酸を 12-HpETE と 15-HpETE に代謝する二重特異性とともに、ヒト ALOX15 の特性と類似しており、両方の酵素が 12/15-リポキシゲナーゼと呼ばれるようになりました。
• Alox15b (8-リポキシゲナーゼ、8-lox、15-リポキシゲナーゼ II 型とも呼ばれる) は、アラキドン酸を主に 15-HpETE に代謝し、リノール酸をそれほどではないが 13-HpODE に代謝する ALOX15B とは対照的に、アラキドン酸を主に 8 S -HpETE に代謝し、リノール酸を 9-HpODE に代謝します。Alox15b は、5-HpETE をロイコトリエンに代謝する点で ALOX5 と同等に効果的です。
• Alox12e (12-Lox-e、表皮型 12-Lox) は、有害な突然変異を起こして発現しないヒト ALOX12P 遺伝子の相同遺伝子です。ALox12e は、非エステル化多価不飽和脂肪酸基質よりもメチルエステルを好み、リノール酸エステルを 13-ヒドロペルオキシ対応物に代謝し、アラキドン酸エステルを 12-ヒドロペルオキシ対応物に代謝する程度は低いです。
• Alox12b (e-LOX2、表皮型 Lox-12) は、ALOX12B と同様に作用し、EOS のリノール酸部分をその 9 R -ヒドロペルオキシ対応物に代謝し、それによって皮膚の完全性と防水性に貢献するようです。Alox12b が枯渇したマウスは、先天性魚鱗癬様紅皮症に似た重度の皮膚欠陥を発症します。アラキドン酸を 12 R -HETE に低率で代謝できるヒト ALOX12B とは異なり、Alox12b はアラキドン酸を遊離酸として代謝せず、アラキドン酸メチルエステルをその 12 R -ヒドロペルオキシ対応物に代謝します。
• Aloxe3 (表皮型 Lox-3、eLox3) は、EOS の 9 R -ヒドロペルオキシリノレート誘導体をエポキシおよびケト誘導体に代謝する点で ALOXe3 と同様に機能し、皮膚の完全性と防水性の維持に関与しているようです。AloxE3 の欠失は、先天性魚鱗癬様紅皮症に似た欠陥を引き起こします。

リポキシゲナーゼの構造はいくつか知られており、大豆リポキシゲナーゼ L1 および L3、サンゴ 8-​​リポキシゲナーゼ、ヒト 5-リポキシゲナーゼ、ウサギ 15-リポキシゲナーゼ、およびブタ白血球 12-リポキシゲナーゼ触媒ドメインなどがある。タンパク質は、小さな N 末端PLAT ドメインと、活性部位を含む主要な C 末端触媒ドメイン ( Pfamデータベースを参照) で構成される。植物および哺乳類の酵素の両方で、N 末端ドメインには 8 本の鎖の逆平行 β バレルが含まれるが、大豆リポキシゲナーゼでは、このドメインはウサギ酵素よりも大幅に大きい。植物リポキシゲナーゼは、酵素的に 2 つのフラグメントに切断され、酵素が活性である間はこれらのフラグメントはしっかりと結合したままになる。2 つのドメインが分離すると、触媒活性が失われる。 C 末端 (触媒) ドメインは、18 ～ 22 個のヘリックスと、N 末端 β バレルの反対側の端にある 1 個 (ウサギ酵素の場合) または 2 個 (大豆酵素の場合) の平行 β シートで構成されています。

リポキシゲナーゼ中の鉄原子は4つのリガンドに結合しており、そのうち3つはヒスチジン残基である。^[23] 6つのヒスチジンはすべてのリポキシゲナーゼ配列で保存されており、そのうち5つは40アミノ酸の範囲に集まっている。この領域には3つの亜鉛リガンドのうち2つが含まれており、他のヒスチジンはリポキシゲナーゼの活性に重要であること がわかっている^{[24] 。}

2 本の長い中央ヘリックスは活性部位で交差します。両方のヘリックスにはπ ヘリックスの内部ストレッチが含まれており、これが活性部位の鉄に 3 つのヒスチジン(His) リガンドを提供します。大豆リポキシゲナーゼ 1 の主要ドメインの 2 つの空洞 (空洞 I と II) は、表面から活性部位まで伸びています。漏斗状の空洞 I は二酸素チャネルとして機能する可能性があり、細長い空洞 II はおそらく基質ポケットです。よりコンパクトな哺乳類酵素には、ブーツ状の空洞 (空洞 II) が 1 つだけ含まれています。大豆リポキシゲナーゼ 3 には、鉄部位からβ バレルと触媒ドメインのインターフェイスまで伸びる 3 つ目の空洞があります。空洞 III、鉄部位、および空洞 II は、タンパク質分子全体にわたって連続した通路を形成します。

活性部位の鉄は、保存された 3 つの His 残基の N ^εと C 末端カルボキシル基の 1 つの酸素によって配位されます。さらに、大豆酵素では、アスパラギンの側鎖酸素が鉄と弱く結びついています。ウサギのリポキシゲナーゼでは、この Asn 残基が His に置き換えられ、N ^δ原子を介して鉄を配位します。したがって、鉄の配位数は 5 または 6 で、水酸基または水リガンドが 6 配位鉄になります。

リポキシゲナーゼの活性部位の特徴に関する詳細は、ブタ白血球12-リポキシゲナーゼ触媒ドメイン複合体の構造で明らかにされました^{[23] [25]} 3D構造では、基質類似体阻害剤は鉄部位に隣接して開いたU字型のチャネルを占めていました。このチャネルは、多くの計算なしでアラキドン酸を収容することができ、リポキシゲナーゼ反応の基質結合の詳細を定義します。さらに、基質結合チャネルを遮断してタンパク質表面まで伸びる妥当なアクセスチャネルを酸素経路として数えることができました。

大豆リポキシゲナーゼ1は、生物系で報告されている中で、kcat（kH/kD）に対するH/D速度論的同位体効果（KIE）が最も大きい（室温付近で81）。最近、二重変異体大豆リポキシゲナーゼ1で、540～730という極めて高いKIEが発見された。 ^[26] KIEの大きさが大きいため、大豆リポキシゲナーゼ1は、酵素触媒水素トンネル反応のプロトタイプとして機能してきた。

リポキシゲナーゼファミリーから発現するヒトタンパク質には、 ALOX12、ALOX12B、ALOX15、ALOX15B、ALOX5、およびALOXE3がある。ヒトはマウスでよく発現するAlox12P遺伝子の相同遺伝子であるALOX12P2遺伝子も有するが、ヒト遺伝子は擬似遺伝子であるため、ALOX12P2タンパク質はヒトでは検出されない。^[27]

• LOX-DB – リポキシゲナーゼデータベース
• リポキシゲナーゼ鉄結合領域 2019-09-12にWayback MachineでPROSITEにアーカイブ
• PDB : 1YGE​ – 大豆由来のリポキシゲナーゼ-1 ( Glycine max )
• PDB : 1IK3​ – (9 Z ,11 E ,13 S )-13-ヒドロペルオキシオクタデカ-9,11-ジエン酸と複合体を形成した大豆リポキシゲナーゼ-3の構造
• PDB : 1LOX​ – 阻害剤と複合体を形成したウサギ 15-リポキシゲナーゼの構造
• PDB : 3RDE​ – 阻害剤を含む豚白血球12-リポキシゲナーゼの触媒ドメインの構造
• ミシガン大学膜タンパク質配向 ファミリー/スーパーファミリー-87 – 動物リポキシゲナーゼ
• 米国国立医学図書館医学件名標目表(MeSH)のリポキシゲナーゼ
• 冷凍保存されたトウモロコシとブロッコリーの品質に対するブランチング時間と栽培品種の影響 -ブランチング中のリポキシゲナーゼ、ペルオキシダーゼ、シスチンリアーゼ酵素の不活性化