一酸化窒素ジオキシゲナーゼ

一酸化窒素ジオキシゲナーゼ
大腸菌フラボヘモグロビン/NOD構造。 緑=還元酵素ドメイン、青=ヘモグロビンドメイン。 [1]
識別子
EC番号	1.14.12.17
CAS番号	214466-78-1
データベース
インテンズ	IntEnzビュー
ブレンダ	BRENDAエントリー
エクスパス	NiceZyme ビュー
ケッグ	KEGGエントリー
メタサイク	代謝経路
プリアモス	プロフィール
PDB構造	RCSB PDB PDBe PDBsum
遺伝子オントロジー	アミゴー / クイックゴー
検索 個人管理委員会 記事 出版元 記事 国立情報学研究所 タンパク質

一酸化窒素ジオキシゲナーゼ（EC 1.14.12.17）は、一酸化窒素（NO）を硝酸塩（NO）に変換する酵素である。⁻
₃^[2]一酸化窒素ジオキシゲナーゼによって触媒される反応の正味反応式を以下に示す。

• 2NO + 2O ₂ + NAD(P)H → 2NO ₃ ⁻ + NAD(P) ⁺ + H ⁺

一酸化窒素は、平滑筋の血管拡張、血小板の脱凝集、神経伝達、細菌感染に対する免疫反応など、さまざまな生理学的プロセスに組み込まれている普遍的な小分子です。^{[3] [4]}このシグナル分子の過剰産生は、細胞のエネルギー産生を阻害して細胞に致命的となる可能性があります。NOの最も敏感な標的は、クエン酸回路でクエン酸からイソクエン酸への異性化を触媒する酵素であるアコニターゼと、ミトコンドリアの呼吸電子伝達系の最後の酵素であるシトクロム酸化酵素です。 ^{[5]さらに、窒素原子上に孤立ラジカルを持つNOは、}カタラーゼ阻害（過酸化水素の毒性を引き起こす）、Fe-S中心鉄の遊離、ジニトシル鉄錯体の形成など、 いくつかの二次的な毒性メカニズムに関与しています。

NO の潜在的な致死性のため、細胞は毒性のある NO を硝酸塩に変換する触媒作用を持つ酵素の進化から大きな恩恵を受けました。「一酸化窒素ジオキシゲナーゼ」は、この反応を実行できる酵素です。NO ジオキシゲナーゼは、酸化還元酵素のファミリーに属し、より具体的には、O ₂を酸化剤として、もう一方の供与体に 2 つの酸素原子を組み込む、一対の供与体に作用する酵素です。

作用機序はまだ完全には解明されていないが、有力な説では、以下の一連の半反応に示すように、鉄中心を含む一連の酸化還元反応によって変換が行われると示唆されている。^[6]

より最近（2009年）開発された別の理論では、NOジオキシゲナーゼ活性は、推定ヘムペルオキシナイトライト中間体を介してフェノールニトロ化によって進行する可能性があることを示唆しています。^[7]

最もよく研​​究されているNOジオキシゲナーゼは、右に示すフラボヘモグロビン（flavoHb）です。研究では、フラボヘモグロビンは、さまざまな細菌や真菌のNO、亜硝酸塩、硝酸塩、NO放出剤によって誘導されることが示されています。^{[6] [8]}さらに、フラボHbは、細菌、酵母、およびDictyostelium discoideumを、NOを介した成長阻害や損傷から保護することが示されています。^{[8] [9] [10]}

一酸化窒素ジオキシゲナーゼは、一酸化窒素の毒性から細菌を保護する誘導性O2依存性酵素活性として1998年に発見され、初めて報告されました。_[ 11 ]^{この酵素は大腸菌}のフラボヘモグロビンと同定されました。 ^[12]

さらに最近では、NOジオキシゲナーゼとして別のタンパク質が同定されました。それは、NOジオキシゲナーゼ活性を持つ新しいシトクロムであるロドバクター・スフェロイデスヘムタンパク質（SHP）です。^{[13] [14]} SHPの生物学的機能はまだ特定されていませんが、SHPは酸素と結合すると一酸化窒素と急速に反応して硝酸塩を形成できることが示されています。^[13]

フラボヘモグロビンタンパク質には、酸化還元酵素FAD結合ドメインとb型ヘム含有「グロビン」ドメイン、およびオプションで酸化還元酵素NAD結合ドメインの2つのドメインが含まれています。還元酵素ドメインはヘム鉄に電子を供給し、触媒NO二酸素化の高速化を実現します。多数のフラボヘモグロビンに加えて、筋肉ミオグロビン、非共生植物ヘモグロビンと共生植物レグヘモグロビン、神経ニューログロビン、哺乳類細胞質サイトグロビン^{[15] [16]など、}ヘモグロビンスーパーファミリーの遠縁のメンバーの多くは、一酸化窒素ジオキシゲナーゼ（NOD）として機能するようですが、多くのグロビンの細胞内電子供与体はまだ特定されていません。電子供与体には、アスコルビン酸、シトクロムb ₅、またはフェレドキシン還元酵素が含まれます。^[17]触媒的NO二酸素化は、最も単純な形で次のように記述できる。

NO + O ₂ + e ⁻ NO ₃ ⁻${\displaystyle \rightleftharpoons }$

触媒作用は非常に効率的です。報告されている二分子 NO 二酸素化速度定数は、サイトグロビンの2 x 10 ⁷ M ⁻¹ s ^{−1からフラボヘモグロビンの 3 x 10 9} M ⁻¹ s ⁻¹までの範囲で、回転速度は 1 ～ 700 s ⁻¹の範囲です。グロビンの構造、O ₂結合、還元は、NO 二酸素化酵素機能に最適化されているようです。

歴史的には、一酸化窒素ジオキシゲナーゼ（約18億年前）は、酸素の貯蔵と輸送のためのヘモグロビン/ミオグロビン機能の現代の類似物を提供しました。ガードナーら（1998）は、最初のヘモグロビン/ミオグロビンは、結合した「活性化」酸素ガスを利用して微生物内のNOを二酸素化する酵素として機能した可能性が高いと示唆しました。^[6]

ミオグロビン/ヘモグロビンの酸素貯蔵および輸送機能の恩恵を受ける多細胞生物の多様性は、ずっと後になって（約 5 億年前）出現しました。

NODは現在、多様な生命体において2つの重要な生理学的機能を果たしていることがわかっています。NODはNO毒性（別名「ニトロソ化ストレス」）を防ぎ、NOシグナル伝達を制御します。^{[2] NODは、}スーパーオキシドディスムターゼ、カタラーゼ、ペルオキシダーゼ を含む、確立されたフリーラジカルおよび活性酸素解毒酵素のより大きなファミリーに属します。

NOD および NOD として機能する多くのヘモグロビンは、細菌、真菌、原生生物、蠕虫、植物、動物など、ほとんどの生命体に分布しています。実際、一酸化窒素の二酸素化は、ヘモグロビンスーパーファミリーのメンバーにとって基本的な機能であるようです。さらに、グロビンの NOD 機能は、 1 世紀以上前にFelix Hoppe-Seylerらによって初めて調査され報告された赤血球ヘモグロビンの典型的な O2 輸送・貯蔵機能 [19] よりも_はるか^{に一般的であることがますます明らかになっています[18]}。^[20] NOD として機能する可能性のある他のタンパク質には、哺乳類のミクロソームシトクロム P450(s) ^[21]やRhodobacter sphaeroides由来の新しい O2_結合シトクロムbなどがあります。^[13]

NOD の阻害剤は、微生物抗生物質、^{[22] [23]}抗腫瘍剤、および NO シグナル伝達の調節剤としての応用に向けて開発されています。現在までに最もよく知られている NO ジオキシゲナーゼ阻害剤はイミダゾール系抗生物質です。イミダゾールは、微生物フラボヘモグロビンのヘム鉄原子と協調し、鉄ヘムの還元を阻害し、O ₂および NOに関して非競合的阻害を生じ、酵母および細菌による NO 代謝を阻害することが示されている。^[22] 具体的には、かさ高い芳香族置換基を有するイミダゾールは、触媒ヘム鉄と協調し、大きな疎水性遠位ヘムポケット内に「適合」することにより、NO ジオキシゲナーゼ機能を選択的かつ高親和性に阻害する可能性があることが示されている。^{[22] [24] [25]}その結果、イミダゾール工学は NO ジオキシゲナーゼを特異的に阻害する手段として提案されている。

さらに、土壌微生物による窒素肥料の代謝によって生成される NO 毒性を制限するため、また環境中の NO を吸収して植物が自家受粉するための手段として、異種フラボヘモグロビン NOD を持つ遺伝子組み換え植物が開発されています。

最近、大腸菌のフラボHbを哺乳類細胞で発現できるレンチウイルスベクターが発表されました。このアプローチにより、フラボHbは確かにヒトおよびマウス細胞内で酵素活性があり、外因性および内因性のニトロソ化ストレス源を強力にブロックすることが実証されました。^{[26]この技術はその後、ヒトの神経}膠芽腫（脳腫瘍）サンプルからの高度に腫瘍形成性の癌幹細胞（CSC）におけるNO合成の役割を調べるために拡張されました。異種移植腫瘍内でのフラボHbの発現は、iNOS/NOS2によって生成されたNOの枯渇をもたらしました。表現型の結果として、CSCの腫瘍形成性が失われ、マウスの生存率が向上しました。^{[27]これらの実験は、フラボHbが一酸化窒素生物学の}in vivo研究に使用できることを実証し、細菌フラボHbの異種発現によって治療的NO枯渇が達成される可能性があることを示唆しています。