ストリクトシジン合成酵素

ストリクトシジン合成酵素（EC 4.3.3.2）は、アルカロイド生合成における酵素であり、正式なピクテ・スペングラー反応でトリプタミンとセコロガニンの縮合を触媒してストリクトシジンを形成する。

3-α( S )-ストリクトシジン + H ₂ O = トリプタミン + セコロガニン

トリプタミンとセコロガニンの縮合はアルカロイド合成における最初の重要なステップであるため、ストリクトシジン合成酵素はインドールアルカロイド経路の大部分において基本的な役割を果たしている。^[1]

この酵素はリアーゼファミリーに属し、特に炭素-窒素結合を切断するアミンリアーゼに属します。キョウチクトウ科のいくつかのアルカロイド産生植物（例：ニチニチソウ、Voacanga africana）から単離できます。^[2]この酵素クラスの系統名は、 3-α( S )-ストリクトシジントリプタミンリアーゼ（セコロガニン形成）です。一般に使用されている他の名前には、ストリクトシジンシンテターゼ、STR、および3-α( S )-ストリクトシジントリプタミンリアーゼがあります。もともとインドの民間療法で広く使用されている薬用植物である植物Rauvolfia serpentinaから単離されたこの酵素は、テルペノイド生合成とインドールおよびトコンアルカロイド生合成に関与しており、どちらも重要な生理学的および医学的特性を持つ多くの化合物を生成します。

Rauvolfia serpentina由来のストリクトシジン合成酵素の構造研究によると、トリプタミンはポケットの底に位置し、グルタミン309が基質の第一級アミン基と水素結合を形成している。トリプタミンのインドール環と平行に位置する残基フェニルアラニン226とチロシン151は、π結合相互作用を介してサンドイッチ構造でトリプタミンを固定することにより、結合をさらに安定化させる。^[3]

基質結合時には、セコロガニンの位置はポケットの入り口に位置し、正に帯電した残基 His 307 と His 277 がセコロガニンのグルコース部分と結合する。セコロガニンのアルデヒド基とトリプタミンのアミン基の間にシッフ塩基が形成され、そこから Glu309 がトリプタミンの炭素 2 を脱プロトン化する。これにより、隣の画像に示すように、求電子置換によるその後の環閉環でストリクトシジンが形成される。^[3]

ストリクトシジン合成酵素は、トリプタミン、セコロガニン、酸触媒の局所濃度を高めるための足場として作用し、 3-α( S )-ストリクトシジンの形成を促進する。その結合ポケットは、環化中にイミニウム中間体を適切に配向し、アルカロイド生成物を災害選択的に生成する。いくつかのピクテ・スペングラー化合物の形成の背後にあるメカニズムとは異なり、5員環を含むスピロインドレニン中間体はストリクトシジン合成中に形成されない。理論計算によると、イミニウムから6員環への直接的な相互変換は、スピロインドレニンよりも数桁速いことが示された。^[4]

ストリクトシジン合成酵素の全体構造は、6 倍の擬似対称軸に配置された 6 枚羽根の β プロペラ折り畳みで構成され、各プロペラ羽根には 4 本の β ストランドが含まれており、ねじれた反平行 β シートを形成しています。酵素構造内には 3 つの α ヘリックスも存在し、α 3 ヘリックスはプロペラ上部の疎水性結合ポケットを形成し、活性部位のキャップを形成しています。活性部位を形成する主なアミノ酸残基は、Tyr 105、Trp 149、Val 167、Met 180、Val 208、Phe 226、Ser 269、Met 276、His 277、His 307、Phe 308、Glu 309、Leu 323、および Phe 324 です。^[3]

2007 年末現在、このクラスの酵素については 4 つの構造が解明されており、PDBアクセス コードは 2FP8、2FP9、2FPB、2FPC です。

序論で述べたように、ストリクトシジン合成酵素はトリプタミンとセコロガニンの生物学的ピクテ・スペングラー反応を触媒し、モノテルペノイドインドールアルカロイド化合物の普遍的な前駆物質である3-α(S)-ストリクトシジンを立体選択的に形成する。 ^[3]また、セコロガニンと7-アザ-トリプタミンのカップリングから、細胞毒性アルカロイドの重要な中間体である12-アザ-ストリクトシジンの形成を触媒する。^[5]この酵素は単一コピー遺伝子によってコードされており、一次および二次植物代謝の制御に関与する植物ホルモンからの協調制御を受ける。 コード遺伝子は細胞分裂に必須のプロモーターであるオーキシンによって急速にダウンレギュレーションされ、アルカロイドの蓄積レベルが低下する。 ^{[6] [7]逆に、この遺伝子は植物ストレスホルモンである}ジャスモネートによって、strプロモーターの42塩基対領域の活性化を介してアップレギュレーションされる。 ^[8]ニチニチソウのストリクトシジン合成酵素 に関するいくつかの研究では、この酵素がアルカロイド生合成の高速度を維持する上で調節的役割を果たしていることが示されています。しかし、酵素の高活性だけ​​ではアルカロイドの生産量を増やすのに十分ではありません。^{[9]ストリクトシジン合成酵素が最適な活性を発揮するために追加の補因子は必要ありませんが、}キョウチクトウ科植物由来の酵素に関する初期の研究では、 強力な阻害剤として「p」-クロロメルクリベンゾエートが特定されています。^[2]

ストリクトシジン合成酵素触媒縮合から生成される多くのインドールアルカロイドは、キニーネ、抗腫瘍薬カンプトテシン、抗癌剤ビンクリスチンおよびビンブラスチンなどの医薬として重要な化合物の重要な前駆物質です。^[10]このため、ストリクトシジン合成酵素は、化学酵素的アルカロイド合成の研究に最適な酵素として広く知られています。そのような研究の1つでは、12-アザ-ストリクトシジン誘導体である(21S)-12-アザ-ナサイクリンがA549癌細胞株に対して強力な細胞毒性を示すことがわかりました。^[5]しかし、この酵素は高度な基質特異性を持ち、基質認識にはトリプタミンのインドール部分が必要です。^[1]しかし、最近の変異体研究では、ストリクトシジン合成酵素は基質特異性の範囲を広げるように簡単に操作できることが示唆されています。例えば、バリン-208をアラニンに変異させると、ストリクトシジン合成酵素は、キラリティーを保持したまま、トリプタミン類似体から5-メチルおよび5-メトキシストリクトシジンを生成できるようになります。^[11]また、アスパラギン酸-177をアラニンに変異させることで、3-アルファ(S)-ストリクトシジンと同じ立体選択性でさまざまなセコロガニン類似体と結合することができ、さらなる創薬研究のために、より幅広いアルカロイド化合物の合成が可能になります。^[12]