チオレドキシン還元酵素

チオレドキシン還元酵素（TR、TrxR）（EC 1.8.1.9）は、チオレドキシン（Trx）を還元する酵素です。^[1]チオレドキシン還元酵素には2つのクラスが同定されています。1つは細菌と一部の真核生物に存在し、もう1つは動物に存在します。細菌では、TrxRはNrdHとして知られるグルタレドキシン様タンパク質の還元も触媒します。^{[2] [3] [4]どちらのクラスもホモ二量体として機能する}フラボタンパク質です。各モノマーには、 FAD補欠分子族、NADPH結合ドメイン、および酸化還元活性ジスルフィド結合を含む活性部位が含まれています。^[5]

チオレドキシン還元酵素はチオレドキシンの還元を触媒する酵素であり^[1]、チオレドキシン系の中心的な構成要素である。チオレドキシン (Trx) および NADPH とともに、この系は細胞内のジスルフィド結合を還元する系として最も一般的に説明される。電子は TrxR を介して NADPH から取り出され、Trx の活性部位に転送され、タンパク質ジスルフィドまたはその他の基質を還元する。^[6] Trx 系はすべての生細胞に存在し、遺伝物質としての DNA、酸素代謝による酸化損傷に対する防御、および過酸化水素や一酸化窒素などの分子を使用した酸化還元シグナル伝達と結びついた進化の歴史を持っている。^{[7] [8]}

チオレドキシン還元酵素の 2 つのクラスが独立して進化しました。

• 活性部位にセレノシステイン残基を含む高分子量（MW = 約55,000）型が、ヒトを含む高等真核生物で同定されています。このTxRは、グルタチオン還元酵素、トリパノチオ​​ン還元酵素、水銀還元酵素、リポアミド脱水素酵素に関連しています。^[5]
• 低分子量（MW = 約35,000）型は古細菌、細菌、その他の真核生物で同定されている。^[5]

これら2つのクラスのTrxRは、確実に整列できる一次配列のセクションでは、約20％の配列同一性しかありません。^[5] 両方のクラスのTrxRの正味の反応は同一ですが、それぞれの作用機序は異なります。^[9]

ヒトは3つのチオレドキシン還元酵素アイソザイムを発現している：チオレドキシン還元酵素1（TrxR1、細胞質）、チオレドキシン還元酵素2（TrxR2、ミトコンドリア）、チオレドキシン還元酵素3（TrxR3、精巣特異的）。^[10] 各アイソザイムは別々の遺伝子によってコードされている：

大腸菌ThxRには2つの結合ドメインがあり、1つはFAD用、もう1つはNADPH用です。これら2つのドメイン間の接続は、2本鎖の逆平行βシートです。^[11] 各ドメインは個別には、グルタチオン還元酵素やリポアミド脱水素酵素の類似ドメインと非常によく似ていますが、ThxRのこれらのドメインの相対的な向きは66度回転しています。^{[11]これは、以下に説明する酵素の作用メカニズムで重要になります。ThxRは、3つの}アルファヘリックスと2つのループによって形成された2つのモノマー間の界面とホモ二量体を形成します。 ^{[11]各モノマーは、}チオレドキシン分子に別々に結合できます。

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  大腸菌ThxR二量体結合チオレドキシンの構造
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  FADおよびNADPH補欠分子族が標識された大腸菌ThxRの構造

哺乳類のTrxRの構造は大腸菌に似ている。これはFADとNADPHの結合ドメインと、2つのモノマーサブユニット間のインターフェースを含む。哺乳類のThxRでは、FAD結合ドメインの2つのアルファヘリックスの間に挿入があり、小さなベータストランドのペアを形成している。^{[12]酵素の活性ジスルフィドはこれらのヘリックスの1つに位置しているため、活性ジスルフィド結合は}FADドメインに位置しており、大腸菌や他の原核生物のようにNADPHドメインに位置しているわけではない。^[12]

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  ヒトThxR FADおよびNADPH補欠分子族の構造

大腸菌ThxRでは、FADドメインとNADPHドメインの空間的配向は、FADとNADPHの酸化還元活性リングが互いに近接しないようになっている。^[1]大腸菌のFADドメインをNADPHドメインを固定したまま66度回転させると、2つの補欠分子族が密接に接触するようになり、電子がNADPHからFADへ、そして活性部位のジスルフィド結合へ渡されるようになる。^{[1] [15]} 大腸菌で保存されている活性部位残基は-Cys-Ala-Thr-Cys-である。^[1]

哺乳類のTrxRは、大腸菌よりもグルタチオン還元酵素との配列相同性がはるかに高い。^[1] FADドメインと結合したNADPHドメインの活性部位のCys残基は近接しているため、大腸菌で見られる電子移動のための66度回転は不要である。哺乳類のメカニズムのもう1つの特徴は、タンパク質のC末端に触媒活性に必要なセレノシステイン残基が存在することである。哺乳類の活性部位で保存されている残基は、-Cys-Val-Asn-Val-Gly-Cys-である。^[1]

チオレドキシン還元酵素は、エルマン試薬を用いたDTNBアッセイなど、さまざまな方法で定量化できます。ジスルフィドベースのTRFSシリーズの蛍光プローブは、TrxRを選択的に検出することが示されている。^{[16] [17] [18] [19]} Mafireyiは、TrxRの検出に適用された最初のジセレニドプローブを合成しました。^{[20] [21]}その他の検出方法には、免疫学的技術とセレノシスチンチオレドキシン還元酵素アッセイ（SC-TRアッセイ）があります。

この酵素の活性は細胞の成長と生存に必須であるため、抗腫瘍療法の良いターゲットとなります。さらに、この酵素は悪性中皮腫を含むいくつかの種類の癌でアップレギュレーションされています。^{[22] [23]}たとえば、モテキサフィンガドリニウム（MGd）は、腫瘍細胞を選択的に標的とし、チオレドキシン還元酵素とリボヌクレオチド還元酵素を阻害することで細胞死とアポトーシスを引き起こす新しい化学療法剤です。

拡張型心筋症（DCM ）は、うっ血性心不全の症例でよく見られる診断です。チオレドキシン還元酵素は、細胞の酸化還元バランスを調節し、ミトコンドリアでの酸化リン酸化によって生成される活性酸素種による損傷を軽減するために不可欠なタンパク質です。マウスのミトコンドリアTrxR2の不活性化は、心室壁の菲薄化と新生児死亡を引き起こします。^{[10]さらに、DCMと診断された患者にはTrxR2遺伝子の2つの変異が見られ、対照群には見られません。これらの変異の病理学的影響は、}心筋細胞の酸化損傷を制御する能力の低下であると仮定されています。^[24]

最近、低分子量チオレドキシン還元酵素が新しい抗生物質（オーラノフィンやエブセレンなど）の標的となり得ることを示す研究がいくつかありました。 ^[25]これは特にMycobacterium Haemophilumに当てはまり、抗生物質耐性菌にも使用できる可能性があります。^[26]

• 米国国立医学図書館の医学主題標目表(MeSH)におけるチオレドキシン + 還元酵素 + (NADPH)