ピルビン酸キナーゼ

ピルビン酸キナーゼ
ピルビン酸キナーゼ（ 1PKN）の3D構造
識別子
EC番号	2.7.1.40
CAS番号	9001-59-6
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

ピルビン酸キナーゼは、解糖系の最終段階に関与する酵素である。この酵素は、ホスホエノールピルビン酸（PEP）からアデノシン二リン酸（ADP）へのリン酸基の転移を触媒し、ピルビン酸1分子とATP1分子を生成する。^{[1]ピルビン酸キナーゼは、生理学的条件下では起こらない}ピルビン酸のリン酸化を直接触媒しないことが判明する以前は、不適切な名称（従来のキナーゼと矛盾）であった。^[2]ピルビン酸キナーゼは、動物において4つの異なる組織特異的アイソザイムとして存在し、それぞれが多様な組織の代謝要件の変動に対応するために必要な特定の運動特性を備えている。

脊椎動物には、ピルビン酸キナーゼの4 つのアイソザイムが発現しています。L (肝臓)、R (赤血球)、M1 (筋肉と脳)、M2 (初期胎児組織とほとんどの成人組織) です。L および R アイソザイムはPKLR遺伝子によって発現され、M1 および M2 アイソザイムはPKM2遺伝子によって発現されます。R および L アイソザイムは、アロステリックに制御される点で M1 および M2 と異なります。速度論的には、ピルビン酸キナーゼの R および L アイソザイムには、高い基質親和性と低い基質親和性の 2 つの異なる立体配座状態があります。高い基質親和性を特徴とする R 状態は、ピルビン酸キナーゼの活性化形態として機能し、PEP およびフルクトース 1,6-ビスリン酸(FBP) によって安定化され、解糖経路を促進します。基質親和性が低いT状態は、ピルビン酸キナーゼの不活性化型として機能し、ATPとアラニンによって結合して安定化され、ピルビン酸キナーゼのリン酸化と解糖の阻害を引き起こします。^[3]ピルビン酸キナーゼのM2アイソザイムは、テトラマーまたはダイマーを形成できます。テトラマーはPEPに対する親和性が高く、ダイマーはPEPに対する親和性が低いです。酵素活性は、PKM2の高活性テトラマーを不活性ダイマーにリン酸化することで制御できます。^[4]

PKM遺伝子は12のエクソンと11のイントロンから構成される。PKM1とPKM2はM遺伝子の異なるスプライシング産物であり（PKM1にはエクソン9が含まれ、PKM2にはエクソン10が含まれる）、カルボキシ末端の56アミノ酸配列（アミノ酸378-434）のうち23アミノ酸のみが異なっている。^{[5] [6]} PKM遺伝子はhnRNPA1やhnRNPA2のような異種リボヌクレオチドタンパク質によって制御される。^[7]ヒトPKM2モノマーは531アミノ酸からなり、A、B、Cドメインに分かれた一本鎖である。PKM1とPKM2のアミノ酸配列の違いにより、PKM2はFBPによってアロステリックに制御され、PKM1が形成できるのは四量体のみであるのに対し、PKM2は二量体と四量体を形成することができる。^[8]

大腸菌を含む多くの腸内細菌科には、ピルビン酸キナーゼの2つのアイソフォーム、PykAとPykFがあり、大腸菌では37%同一です（Uniprot：PykA、PykF）。これらは真核生物と同じ反応、すなわちADPとPEPからのATPの生成を触媒します。これは解糖系の最後のステップであり、生理学的条件下では不可逆なステップです。PykFはFBPによってアロステリックに制御されており、これは細胞代謝におけるPykFの中心的な位置を反映しています。^[9]大腸菌におけるPykFの転写は、包括的転写制御因子Cra（FruR）によって制御されています。^{[10] [11] [12] PfkBは低濃度のFru-6PでMgATPによって阻害されることが示されており、この制御は}糖新生にとって重要です。^[13]

解糖系におけるピルビン酸キナーゼ反応には2つの段階がある。まず、PEPがリン酸基をADPに転移し、ATPとピルビン酸のエノラートを生成する。次に、細胞が必要とする機能的なピルビン酸を生成するために、ピルビン酸のエノラートにプロトンを付加する必要がある。 ^[14]ピルビン酸キナーゼの基質は単純なリン酸化糖であり、生成物はATPであるため、ピルビン酸キナーゼは解糖サイクルの進化の基礎酵素である可能性があり、地球上のすべての生命の中で最も古い酵素の1つである可能性がある。ホスホエノールピルビン酸は非生物的に存在していた可能性があり、原始的なトリオース解糖系経路で高収率で生成されることが示されている。^[15]

酵母細胞では、酵母ピルビン酸キナーゼ（YPK）とPEPおよびそのアロステリック効果因子であるフルクトース1,6-ビスリン酸（FBP）との相互作用が、Mg ²⁺の存在によって促進されることがわかった。したがって、Mg ^2+は、ピルビン酸キナーゼによるPEPからピルビン酸への触媒作用において重要な補因子であると結論付けられた。さらに、金属イオンMn ^{2+は、YPKに対してMg 2+}と同様の、しかしより強い影響を及ぼすことが示された。ピルビン酸キナーゼの金属結合部位への金属イオンの結合は、この反応の速度を高める。^[16]

ピルビン酸キナーゼによって触媒される反応は、解糖系の最終段階です。これは、この経路の 3 つの律速段階の 1 つです。律速段階は、経路のより遅い、制御された段階であり、したがって経路全体の速度を決定します。解糖系では、律速段階は ATP の加水分解または ADP のリン酸化と連動しており、その結果、経路はエネルギー的に有利になり、細胞内で本質的に不可逆になります。この最終段階は、ピルビン酸がその後の代謝経路にとって重要な中間構成要素であるため、高度に制御され、意図的に不可逆になっています。^[17]ピルビン酸が生成されると、好気条件下ではTCA 回路に入り、ATP がさらに生成されるか、嫌気条件下では乳酸またはエタノールに変換されます。

ピルビン酸キナーゼは、肝臓がピルビン酸と他の基質からグルコースを生成する生化学的経路である糖新生の調節酵素としても機能します。糖新生は、直接のグルコース貯蔵が枯渇した飢餓時に、非炭水化物源を利用して脳と赤血球にグルコースを提供します。^[17]絶食状態の間、ピルビン酸キナーゼは阻害され、ホスホエノールピルビン酸がピルビン酸に変換される「漏出」を防ぎます。 ^{[17]代わりに、ホスホエノールピルビン酸は一連の}糖新生反応によってグルコースに変換されます。同様の酵素を利用しますが、糖新生は解糖の逆ではありません。むしろ、解糖の不可逆的なステップを回避する経路です。さらに、糖新生と解糖は細胞シグナル伝達によって相互に制御されるため、特定の瞬間に細胞内で同時に発生することはありません。^[17]糖新生経路が完了すると、生成されたグルコースは肝臓から排出され、空腹状態で重要な組織にエネルギーを供給します。

解糖系は、ヘキソキナーゼによるグルコースのリン酸化、ホスホフルクトキナーゼによるフルクトース-6-リン酸のリン酸化、およびピルビン酸キナーゼによるPEPからADPへのリン酸の転移という3つの触媒段階で高度に制御されています。野生型の条件下では、これら3つの反応はすべて不可逆的で、大きな負の自由エネルギーを持ち、この経路の制御を担っています。^[17]ピルビン酸キナーゼの活性は、アロステリックエフェクター、共有結合修飾子、およびホルモン制御によって最も広く制御されています。しかし、最も重要なピルビン酸キナーゼ調節因子はフルクトース-1,6-ビスリン酸（FBP）であり、酵素のアロステリックエフェクターとして機能します。

アロステリック制御とは、タンパク質の活性部位以外の部位にエフェクターが結合し、構造変化を引き起こして、そのタンパク質または酵素の活性を変えることである。ピルビン酸キナーゼは、FBPによってアロステリックに活性化され、ATPとアラニンによってアロステリックに不活性化されることがわかっている。^[18]ピルビン酸キナーゼの四量体化はFBPとセリンによって促進され、四量体の解離はL-システインによって促進される。^{[19] [20] [21]}

FBP は解糖経路内から来るため、最も重要な調節源である。FBP はフルクトース 6-リン酸のリン酸化から生成される解糖中間体である。FBP はピルビン酸キナーゼのドメイン C のアロステリック結合部位に結合し、酵素の構造を変化させてピルビン酸キナーゼ活性を活性化する。^[22]解糖経路内に存在する中間体として、FBP はフィードフォワード刺激を提供する。これは、FBP の濃度が高いほど、アロステリック活性化とピルビン酸キナーゼ活性の程度が大きくなるためである。ピルビン酸キナーゼは FBP の効果に最も敏感である。その結果、残りの調節機構は二次的な修正として機能する。^{[9] [23]}

共有結合修飾子は、酵素のリン酸化、脱リン酸化、アセチル化、スクシニル化、酸化を制御して酵素活性を活性化および阻害することにより、間接的な調節因子として機能します。^[24]肝臓では、グルカゴンとエピネフリンがタンパク質キナーゼAを活性化し、これがピルビン酸キナーゼをリン酸化および不活性化することにより共有結合修飾子として機能します。対照的に、血糖値の上昇に反応してインスリンが分泌されると、リン酸化タンパク質ホスファターゼIが活性化され、ピルビン酸キナーゼの脱リン酸化と活性化が引き起こされ、解糖が増加します。同じ共有結合修飾は、糖新生酵素に逆の効果をもたらします。この調節システムは、ピルビン酸キナーゼと糖新生を触媒する酵素の同時活性化を防ぐことで、無駄なサイクルを回避する役割を果たします。^[25]

無益なサイクルを防ぐために、解糖と糖新生は細胞内で同時に作動することがないように厳重に制御されています。その結果、グルカゴン、サイクリックAMP、エピネフリンによるピルビン酸キナーゼの阻害は、解糖を停止させるだけでなく、糖新生を刺激します。一方、インスリンはグルカゴン、サイクリックAMP、エピネフリンの効果を妨害し、ピルビン酸キナーゼが正常に機能し、糖新生を停止させます。さらに、グルコースは糖新生を阻害して妨害しますが、ピルビン酸キナーゼの活性と解糖には影響しません。全体として、ホルモン間の相互作用は、細胞内の解糖と糖新生の機能と制御に重要な役割を果たします。^[26]

メトホルミン、またはジメチルビグアナイドは、2 型糖尿病の主な治療薬です。メトホルミンは、糖新生を阻害することで間接的にピルビン酸キナーゼに影響を及ぼすことが示されています。具体的には、メトホルミンの追加は、さまざまな代謝経路からのグルコースフラックスの顕著な減少と乳酸/ピルビン酸フラックスの増加に関連しています。メトホルミンはピルビン酸キナーゼの活性に直接影響を与えませんが、ATP 濃度の低下を引き起こします。ピルビン酸キナーゼに対する ATP のアロステリック阻害効果により、ATP の減少は阻害の減少とそれに続くピルビン酸キナーゼの刺激をもたらします。その結果、ピルビン酸キナーゼ活性の増加は、糖新生ではなく解糖を介して代謝フラックスを導きます。^[27]

異種リボヌクレオチドタンパク質（hnRNP）はPKM遺伝子に作用してM1およびM2アイソフォームの発現を調節することができる。PKM1およびPKM2アイソフォームは、単一のエクソンが異なるPKM遺伝子のスプライスバリアントである。hnRNPA1やhnRNPA2などのさまざまな種類のhnRNPは、低酸素状態で核に入り、PKM2がアップレギュレーションされるように発現を調節する。^[28]インスリンなどのホルモンはPKM2の発現をアップレギュレーションし、トリヨードチロニン（T3）やグルカゴンなどのホルモンはPKM2のダウンレギュレーションを助ける。^[29]

ChREBPは、ピルビン酸キナーゼのLアイソザイムの発現を制御する転写因子である。 ^[30]グルコース感知モジュールには、グルコースとcAMPの濃度に基づいて調節リン酸化の標的となるドメインが含まれており、核への輸入を制御する。^{[31]また、}グルコース-6-リン酸に直接結合することでさらに活性化されることもある。 ^{[30] [32]}核内に入ると、そのDNA結合ドメインがピルビン酸キナーゼの転写を活性化する。^{[31]そのため、高グルコースと低cAMPは}ChREBPの脱リン酸化を引き起こし、肝臓でのピルビン酸キナーゼの発現をアップレギュレーションする。^[30]

この酵素の遺伝的欠陥は、ピルビン酸キナーゼ欠損症と呼ばれる疾患を引き起こす。この状態では、ピルビン酸キナーゼの欠乏により解糖のプロセスが遅くなる。この影響はミトコンドリアを欠く細胞では特に壊滅的である。なぜなら、これらの細胞はTCA回路が利用できないため、嫌気性解糖を唯一のエネルギー源として使用しなければならないからである。例えば、ピルビン酸キナーゼ欠損状態の赤血球は急速にATPが不足し、溶血を起こす可能性がある。したがって、ピルビン酸キナーゼ欠損症は慢性非球状溶血性貧血（CNSHA）を引き起こす可能性がある。 ^[33]

ピルビン酸キナーゼ欠損症は常染色体劣性形質によって引き起こされます。哺乳類には PK-LR (ピルビン酸キナーゼアイソザイム L と R をコード) と PK-M (ピルビン酸キナーゼアイソザイム M1 をコード) の 2 つのピルビン酸キナーゼ遺伝子がありますが、ピルビン酸キナーゼ欠損症を引き起こす赤血球アイソザイムをコードしているのは PKLR だけです。250 を超える PK-LR 遺伝子変異が特定され、ピルビン酸キナーゼ欠損症と関連しています。DNA 検査により、染色体 1 上の PKLR の位置が明らかになり、ピルビン酸キナーゼ欠損症を分子的に診断するための直接遺伝子配列決定検査が開発されました。^[34]

活性酸素種（ROS）は化学的に反応性の高い酸素です。ヒトの肺細胞では、ROSがピルビン酸キナーゼ（PKM2）のM2アイソザイムを阻害することが示されています。ROSはCys358を酸化し、PKM2を不活性化することでこの阻害を達成します。PKM2の不活性化の結果、グルコースフラックスはピルビン酸に変換されなくなり、代わりにペントースリン酸経路で利用され、ROSの減少と解毒がもたらされます。このようにして、ROSの有害な影響が増大し、肺細胞に対する酸化ストレスが増大し、潜在的な腫瘍形成につながります。この阻害メカニズムは、PKM2の調節メカニズムが癌細胞の酸化ストレスに対する抵抗を助け、腫瘍形成を促進する役割を担っていることを示唆している可能性があるため重要です。^{[35] [36]}

フェニルアラニンは脳内のピルビン酸キナーゼの競合的阻害剤として機能することがわかっています。フェニルアラニン阻害活性の程度は胎児細胞と成人細胞の両方で同様ですが、胎児脳細胞の酵素は成人脳細胞よりも阻害に対して著しく脆弱です。遺伝性脳疾患であるフェニルケトン尿症(PKU) の乳児における PKM2 の研究では、フェニルアラニンレベルの上昇と PKM2 の有効性の低下が示されました。この阻害メカニズムは、脳細胞損傷におけるピルビン酸キナーゼの役割についての洞察を提供します。^{[37] [38]}

がん細胞は代謝機構が加速していることが特徴で、ピルビン酸キナーゼががんに関与していると考えられています。健康な細胞と比較すると、がん細胞はPKM2アイソフォーム、特に低活性二量体のレベルが上昇しています。そのため、PKM2血清レベルはがんのマーカーとして使用されます。低活性二量体によりホスホエノールピルビン酸（PEP）が蓄積し、最終的にがん細胞によって使用される生体分子の合成のための解糖中間体が大量に残ります。^[8] PKM2がマイトジェン活性化プロテインキナーゼ1（ERK2）によってリン酸化されると、構造変化が起こり、PKM2が核内に入り、腫瘍の発達に必要な解糖遺伝子の発現を調節できるようになります。^[39]いくつかの研究では、発がん中にPKM1からPKM2への発現のシフトがあると述べられています。低酸素症のような腫瘍微小環境は、低酸素症誘導因子のような転写因子を活性化してPKM2の転写を促進し、PKM2自身の転写を強化する正のフィードバックループを形成します。^[8]

同様の機能を持つ可逆酵素であるピルビン酸リン酸ジキナーゼ（PPDK）は、一部の細菌に見られ、2回以上の水平遺伝子伝達を介して、多くの嫌気性真核生物グループ（例えば、ストレブロマスティックス、ジアルジア、エントアメーバ、トリコモナス）に伝達されているようです。場合によっては、同じ生物がピルビン酸キナーゼとPPDKの両方を持つことがあります。^[40]

• 米国国立医学図書館の医学主題標目表(MeSH)におけるピルビン酸+キナーゼ