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PDE2 （ホスホジエステラーゼ2）酵素は、哺乳類に見られる21種類のホスホジエステラーゼ（PDE）のうちの1つです。これらの異なるPDEは、 11のファミリー（PDE1～PDE11）に分類できます。同じファミリーの異なるPDEは、アミノ酸配列にかなりの相違が見られるにもかかわらず、機能的に関連しています。[ 1 ] PDEは基質特異性が異なります。一部はcAMP選択的加水分解酵素（PDE4、-7、-8）、その他はcGMP選択的加水分解酵素（PDE5、-6、-9）、残りはcAMPとcGMPの両方を加水分解できます（PDE1、-2、-3、-10、-11）。[ 2 ]
PDE2をコードする遺伝子ファミリーはPDE2Aのみである。3つのスプライスバリアント、PDE2A1、PDE2A2、およびPDE2A3が発見されている（PDE2A2はラットでのみ発見されている）。PDE2A1は細胞質に存在するが、-A2と-A3は膜結合型である。PDE2A2と-A3の局在の違いは、PDE2A1には存在しない独自のN末端配列によるものと考えられている。PDE2Aスプライスバリアントは異なるにもかかわらず、その動態挙動に既知の差異はない。[ 3 ]
PDE2酵素の活性部位の結晶構造が報告されている。 [ 4 ] PDEファミリーのメンバーのアミノ酸配列はかなりの違い（25～35%の同一性）を示しているが、活性部位の全体的な折り畳み、機能、構造要素は非常によく似ている。活性部位は、すべてのPDE間で高度に保存されている残基によって形成される。結合ポケットには、金属イオン（亜鉛とマグネシウム）結合部位がある。亜鉛に結合する2つのヒスチジン残基と2つのアスパラギン酸残基は、研究されたすべてのPDE間で保存されている。[ 3 ]他のいくつかのPDEアイソザイムの構造が解明されており、その中には活性部位に阻害剤が存在する共結晶構造がいくつかある。 [ 5 ] PDE4B、PDE4D、 PDE5 Aの共結晶構造は、 PDEへの阻害剤結合の2つの共通の特徴を明らかにした。 1つは酵素の活性部位に整列する阻害剤の平面環状構造であり、もう1つはヌクレオチド認識と選択性に不可欠な保存されたグルタミン残基（後述する「グルタミンスイッチ」）である。 [ 1 ] [ 5 ] [ 6 ]
前述のように、PDE2はcAMPとcGMPの両方を加水分解できますが、PDEファミリーの他のメンバーの中には、2つの環状ヌクレオチドのいずれか一方に選択性を示すものもあります。cAMPまたはcGMPに対する選択性の変動は、いわゆる「グルタミンスイッチ」によって決定されると考えられています。「グルタミンスイッチ」は、すべてのPDEに存在する不変のグルタミンであり、その結晶構造は解明されています。PDE2では、この残基はGln859です。これは、cAMPの環外アミノ基およびcGMPの環外カルボニル酸素と水素結合を形成する可能性があります。cAMPとcGMPの両方を加水分解できるPDEでは、このグルタミンは自由に回転できます。cAMPまたはcGMPのいずれか一方に選択性を示すPDEでは、このグルタミンは隣接する残基によって、いずれかの環状ヌクレオチドに対する選択性を促進する位置に拘束されます。[ 1 ] [ 3 ]
cGMPがPDEのアロステリックGAF-Bドメインに結合すると、タンパク質構造の立体構造変化が起こり、酵素活性が高まります。cGMPがGAF-Bドメインに結合することによるcAMPの加水分解の増加はよく知られていますが、その逆の例は知られていません。[ 3 ] GAF-BドメインはcAMPに対する親和性がcGMPに対する親和性よりも30～100倍低いことが示されています。[ 7 ]この情報と細胞内cAMP濃度について現在知られていることを組み合わせると、 cAMPによるcGMP加水分解の活性化がin vivoで起こる可能性は低いと考えられます。[ 3 ]
PDE2は、副腎髄質、脳、心臓、血小板、マクロファージ、内皮細胞など、さまざまな組織で発現しています。この酵素は、次のような多くの異なる細胞内プロセスを調節することに関与していると考えられています。[ 3 ] [ 8 ]
PDE2にはいくつかの酵素機能が報告されている。PDE2は心房性ナトリウム利尿ペプチド（ANP）によるcGMPの増加を介してcAMPを低下させ、アルドステロン分泌の減少をもたらすことが示されている。[ 3 ]また、PDE2は血小板内のcAMPおよびcGMPの細胞内濃度の上昇の調節において重要な役割を果たす可能性があることも示唆されている。PDE3は血小板凝集において重要な役割を担っている。cGMPの濃度が高いとPDE3が阻害される一方、PDE2は刺激されることが報告されている。これら2つの機能の相互作用は、血小板内のcAMPの相反する調節を媒介しているようだ。[ 3 ] PDE2は心筋細胞内の心臓L型Ca2 +電流を調節し、cGMPによるPDE2の活性化はcAMPを低下させ、それによって心機能に影響を与える。[ 3 ]しかし、心筋細胞内に存在する異なる cAMP プールが、異なる (さらに、時には相反する) 効果を媒介することが最近判明した。異なる PDE 型が異なる cAMP プールに影響を与える可能性があるため、異なる PDE が細胞内の異なるプロセスを調節する可能性がある。[ 9 ] PDE2 は脳のいくつかの領域で発現しており、ラット実験では PDE2 の阻害が記憶などの機能を高めることが示されている。[ 3 ] PDE2 は単球がマクロファージに分化するときに上方制御されるが、成熟マクロファージにおける PDE2 の役割はまだ特徴付けられていない。さらに、PDE2 は微小血管では検出されるが、より大きな血管では検出されないため、炎症反応に関与していることが示唆されている。腫瘍壊死因子アルファ（TNFα）が内皮細胞におけるPDE2の機能を調節し、それによって内皮バリアを介した体液と細胞の流れに影響を与える可能性があると推測されている。これは、内皮細胞を用いたin vitro実験でPDE2 mRNAと活性の両方の調節が示されているためである。[ 3 ]これまでPDE2阻害剤は主に研究ツールとして使用されてきたが、現在では記憶力の向上、炎症状態における内皮透過性の低下[ 3 ]、および心不全と心肥大の予防/改善[ 10 ]のために研究されている。
PDE2 用に開発された最初の特異的阻害剤はEHNA (エリスロ-9-(2-ヒドロキシ-3-ノニル)アデニン) でした。EHNA は、約 1μM の IC 50値で PDE2 の cGMP 活性化を阻害することにより、PDE2 に特異的に作用し、他の PDE に対して少なくとも 50 倍の選択性があることが実証されています。[ 11 ] EHNA のコア構造は cAMP に似ていますが、EHNA は cAMP のリン酸化リボース部分をかさ高い疎水性炭素側鎖に置き換えている点で異なります。[ 1 ]
ラット皮質ニューロンの初代培養では、EHNAによるPDE2Aの阻害はNMDA（N-メチル-D-アスパラギン酸）受容体活性化によるcGMPの増加を増強するが、cAMP濃度には影響しない。[ 12 ] EHNAはIC50が約2 nMの非常に強力なアデノシンデアミナーゼ阻害剤でもある。[ 13 ]この二重阻害により、2つの阻害性代謝物であるアデノシン[ 13 ] [ 14 ]とcGMP [ 12 ] [ 15 ]が蓄積し、これらが相乗的に作用して抗ウイルス、抗腫瘍、抗不整脈効果を含む多様な薬理学的反応を媒介する可能性がある。[ 11 ] EHNAはアデノシンデアミナーゼを 強力に阻害するが、適切な対照を用いてPDE2機能を調べるツールとして成功裏に使用されている。 EHNAは心筋細胞におけるカルシウム制御におけるPDE2の関与を研究するために使用されており[ 16 ]、灌流肺モデルにおける低酸素性肺血管収縮を逆転させるのに効果的であることが示されている[ 17 ] 。 したがって、EHNAは2つの目的で使用されてきた。
しかし、PDE2阻害能が低く、アデノシンデアミナーゼ阻害能が高いため、PDE2の薬理学的役割を決定する化学ツールとしてのEHNAの使用は制限されている。[ 18 ]理論的には、アデノシンデアミナーゼ阻害の結果としてEHNAによって蓄積されたアデノシンの影響を考慮して補正できれば、この問題は解決できる。このようにして、PDE2阻害の結果としてEHNAによって引き起こされる陽性変力作用が観察された。[ 19 ] [ 20 ]
BAY 60-7550はEHNAのアナログであり、100倍以上強力でPDE2Aに対する選択性が非常に高い。[ 13 ]新たに発見された他の選択的PDE2阻害剤はPDP（9-(6-フェニル-2-オキソヘキサ-3-イル)-2-(3,4-ジメトキシベンジル)-プリン-6-オン）[ 21 ]およびオキシインドールである。[ 18 ]
上記の表は、 EHNAを含むPDE2阻害剤の効力を示しています。EHNA、Bay 60-7550、およびPDPの間には、効力の大きな増加が見られます。Bay-60-7550およびPDPのプリン部分の2位にある大きなジメトキシベンジル基が、効力増加に寄与している可能性があります。
これらの阻害剤を酵素の天然基質であるcAMPおよびcGMPと比較すると、これらの分子に共通する特徴がいくつか明らかになる。すべての分子の主な特徴は、少なくとも2つの融合環構造、すなわち6原子環と5原子環からなる平面部分である。cGMPおよびcAMPのこの環系はプリン環系であり、EHNAおよびPDPについても同様である。Bay 60-7550およびオキシインドールはプリンコアを持たないが、関連する環系を有する。阻害剤の環系には、主に窒素原子、そして酸素原子を含む水素結合受容体が存在する。これらの原子は、酵素の活性部位のアミノ酸の一部である水素結合供与体と相互作用し、天然基質が活性部位に結合するのと同様に、酵素によるcAMPおよびcGMPの加水分解を阻害する可能性がある。[ 1 ]
Bay 60-7550とPDPの構造は非常によく似ている。これらの分子の違いは、Bay 60-7550の環外メチル基がPDPの窒素原子を置換している点であり、基質と阻害剤の結合に重要な部位で酵素との水素結合形成の可能性を低下させている。オキシインドール構造は、プリン環系からより大きく乖離しており、水素結合の可能性が少ないため、他の阻害剤とは異なる。また、この分子には、Bay 60-7550とPDPのジメトキシベンジル基に相当する大きな側鎖基がない。この現象の共結晶構造がなければ、酵素との相互作用を予測することは困難である。
PDE2の活性部位に結合した阻害剤の共結晶構造は不足している。しかし、触媒部位に結合した阻害剤EHNAと基質cAMPおよびcGMPのコンピュータードッキングモデルが作成された。 [ 1 ] EHNAのドッキングモデルは、活性部位のアミノ酸Asp811からAlaへの変異（Asp811Ala）およびIle826からValへの変異（Ile826Val）が、EHNAによる阻害に有意な影響を与えた唯一のアミノ酸置換であることを示した。Asp811のアラニンへの変異はEHNAのIC50値を6倍に増加させ、 Ile826のバリンへの変異は野生型PDE2Aと比較してEHNAのIC50値を7倍に増加させた。 [ 1 ]
EHNAは活性部位のGln859に近接しており、Gln859はEHNAのアデニン環の窒素原子のN1とN6に2つの水素結合を供与する可能性がある。結合ポケットのもう一方の部位では、Asp811がアデニン環のN7に別の水素結合を供与して結合阻害剤を安定化させる可能性がある。この仮説は、Asp811Ala変異体がcAMPに対する活性が低下しているのに対し、cGMPに対する活性は変化していないという事実によって裏付けられている。[ 1 ]
下部結合ポケット内の残基は阻害剤との相互作用には遠すぎるため、EHNAの選択性とは無関係である可能性がある。しかし、これらの残基はEHNAの選択性に間接的な役割を果たしている可能性がある。Ile826はEHNAのプリン環の下に位置しており、EHNAの空間を制限している。より小さなバリンへの置換（Ile826Val変異）はEHNAの空間を拡大し、上部結合ポケット内の残基との水素結合の喪失を引き起こす一方で、下部結合ポケット内の水素結合を改善する可能性がある。この相互作用の変化はEHNAのアデニン環の結合を不安定化させる可能性があり、これがIC50値が高くなる理由である可能性がある。[ 1 ]
EHNA以外の阻害剤については、活性部位に整列するモデルは存在しない。そのため、分子結合の解釈はより困難である。阻害剤とその全体的な類似性を見ると、活性部位に同様のメカニズムで結合し、異なる側鎖が阻害剤の効力を決定すると考えられる。PDE2活性部位における阻害剤の特異性の決定因子はよく分かっておらず、これらの決定因子をよりよく理解することで、効力の高い阻害剤の開発が促進されるだろう。[ 1 ]