チロシンヒドロキシラーゼ

チロシンヒドロキシラーゼまたはチロシン3-モノオキシゲナーゼは、アミノ酸L-チロシンをL -3,4-ジヒドロキシフェニルアラニン（L -DOPA）に変換する反応を触媒する酵素です。 ^{[ 5 ] [ 6 ]}この反応は、分子状酸素（O2 _）と鉄（Fe2 ⁺）およびテトラヒドロビオプテリンを補因子として使用して行われます。L - DOPAはドーパミンの前駆体であり、ドーパミンは重要な神経伝達物質であるノルエピネフリン（ノルアドレナリン）およびエピネフリン（アドレナリン）の前駆体です。チロシンヒドロキシラーゼは、このカテコールアミンの合成における律速段階を触媒します。ヒトでは、チロシンヒドロキシラーゼはTH遺伝子によってコードされており、^{[ 6 ]}この酵素は中枢神経系（CNS）、末梢交感神経ニューロン、および副腎髄質に存在します。^{[ 6 ]}チロシンヒドロキシラーゼ、フェニルアラニンヒドロキシラーゼ、トリプトファンヒドロキシラーゼは、芳香族アミノ酸ヒドロキシラーゼ（AAAH）ファミリーを構成します。

チロシンヒドロキシラーゼは、 L-チロシンのメタ位を水酸化してL -3,4-ジヒドロキシフェニルアラニン（L -DOPA）を得る反応を触媒します。この酵素はオキシゲナーゼであり、基質を水酸化するために分子状酸素を使用します。O2_の酸素原子の1つはチロシン分子を水酸化してL -DOPAを得るために使用され、もう1つは補因子を水酸化するために使用されます。他の芳香族アミノ酸ヒドロキシラーゼ（AAAH）と同様に、チロシンヒドロキシラーゼは通常の条件下では補因子テトラヒドロビオプテリン（BH4 _）を使用しますが、他の類似分子もチロシンヒドロキシラーゼの補因子として機能する可能性があります。^{[ 7 ]}

AAAH は補因子 5,6,7,8-テトラヒドロビオプテリン (BH ₄ ) をテトラヒドロビオプテリン-4a-カルビノールアミン (4a-BH ₄ ) に変換します。生理的条件下では、4a-BH ₄は酵素プテリン-4a-カルビノールアミン脱水酵素 (PCD) によってキノノイドジヒドロビオプテリン (q-BH _{2 ) に}脱水され、この反応で水分子が放出されます。^{[ 8 ] [ 9 ]}次に、NAD(P)H 依存性酵素ジヒドロプテリジン還元酵素(DHPR ) が q-BH _{2を BH 4}に戻します。^{[ 8 ]}チロシンヒドロキシラーゼの 4 つのサブユニットのそれぞれは、活性部位に存在する鉄(II) 原子と配位しています。この鉄原子の酸化状態は、酵素反応の触媒回転に重要です。鉄がFe(III)に酸化されると、酵素は不活性化される。^{[ 10 ]}

酵素反応の生成物であるL -DOPAは、 DOPAデカルボキシラーゼという酵素によってドーパミンに変換される。ドーパミンは、ドーパミンβ-ヒドロキシラーゼという酵素によってノルエピネフリンに変換され、さらにフェニルエタノールN-メチルトランスフェラーゼという酵素によって修飾されてエピネフリンとなる。^{[ 11 ]} L -DOPAは神経伝達物質であるドーパミン、ノルアドレナリン、アドレナリンの前駆体であるため、チロシンヒドロキシラーゼはこれらのカテコールアミンを含むすべての細胞の細胞質に存在する。チロシンヒドロキシラーゼによって触媒されるこの最初の反応は、カテコールアミンの生成における律速段階であることが示されている。 ^{[ 11 ]}

この酵素は特異性が高く、インドール誘導体を受け入れません。これは、カテコールアミンの生成に関与する他の多くの酵素とは異なり、珍しいことです。トリプトファンはチロシンヒドロキシラーゼの基質としては劣りますが、L-フェニルアラニンを水酸化してL-チロシンと少量の3-ヒドロキシフェニルアラニンを生成することができます。[ 7 ] ^{[ 12 ] [ 13 ]その後、この}酵素はL-チロシンをさらに触媒してL -DOPAを生成することができます。チロシンヒドロキシラーゼは、 L -DOPAを酸化して5-S-システイニル-DOPAや他のL -DOPA誘導体を生成するなど、他の反応にも関与している可能性があります。^{[ 7 ] [ 14 ]}

チロシンヒドロキシラーゼは、4 つの同一のサブユニットからなる四量体（ホモ四量体）です。各サブユニットは 3 つのドメインから構成されています。ペプチド鎖のカルボキシル末端には、四量体化を可能にする短いα ヘリックスドメインがあります。^{[ 15 ]}中央の約 300 個のアミノ酸は触媒コアを構成し、触媒に必要なすべての残基と非共有結合した鉄原子が存在します。^{[ 12 ]}鉄は 2 つのヒスチジン残基と 1 つのグルタミン酸残基によって所定の位置に保持されているため、非ヘム、非鉄硫黄鉄含有酵素となっています。^{[ 16 ]}アミノ末端の約 150 個のアミノ酸は調節ドメインを構成し、基質の活性部位へのアクセスを制御すると考えられています。^{[ 17 ]}ヒトでは、この調節ドメインの 4 つの異なるバージョンがあり、したがって代替スプライシングに応じて 4 つのバージョンの酵素が存在すると考えられていますが、^{[ 18 ]}それらの構造はまだ適切に決定されていません。^{[ 19 ]}このドメインは、明確に定義された三次構造を持たない、本質的に構造を持たないタンパク質である可能性が示唆されているが、これまでのところ、この主張を裏付ける証拠は提示されていない。^{[ 19 ]}しかしながら、このドメインは二次構造の発生頻度が低いことが示されており、全体的な構造が無秩序であるという疑念を弱めるものではない。^{[ 20 ]}四量体化ドメインと触媒ドメインについては、ラットチロシンヒドロキシラーゼを用いてX線結晶構造解析により構造が解明された。^{[ 21 ] [ 22 ]}これにより、その構造がフェニルアラニンヒドロキシラーゼおよびトリプトファンヒドロキシラーゼの構造と非常によく似ていることが示された。これら3つは、相同な芳香族アミノ酸ヒドロキシラーゼのファミリーを構成している。^{[ 23 ] [ 24 ]}

チロシンヒドロキシラーゼ活性は、リン酸化によって短期的には増加する。チロシンヒドロキシラーゼの調節ドメインには、Ser8、Ser19、Ser31、Ser40など、さまざまなプロテインキナーゼによってリン酸化される複数のセリン（Ser）残基が含まれている。^{[ 12 ] [ 25 ]} Ser40はcAMP依存性プロテインキナーゼによってリン酸化される。^{[ 26 ]} Ser19（および程度は低いがSer40）はカルシウム-カルモジュリン依存性プロテインキナーゼによってリン酸化される。^{[ 27 ]} MAPKAPK2（マイトジェン活性化プロテインキナーゼ活性化プロテインキナーゼ）はSer40を優先的にリン酸化するが、Ser19もSer40の約半分の速度でリン酸化する。^{[ 28 ] [ 29 ]} Ser31はERK1およびERK2（細胞外調節キナーゼ1&2）によってリン酸化され、^{[ 30 ]} Ser40のリン酸化よりも酵素活性をわずかに増加させる。 ^{[ 28 ]} Ser19およびSer8のリン酸化はチロシンヒドロキシラーゼ活性に直接的な影響を与えない。しかし、Ser19のリン酸化はSer40のリン酸化速度を増加させ、酵素活性の増加につながる。Ser19のリン酸化は、14-3-3タンパク質を必要とするメカニズムを介して、活性を2倍に増加させる。^{[ 31 ]} Ser31のリン酸化は活性をわずかに増加させるが、そのメカニズムは不明である。調節セリンがリン酸化されると、チロシンヒドロキシラーゼは熱失活に対してある程度安定化される。^{[ 28 ] [ 32 ]}

チロシンヒドロキシラーゼは主に細胞質に存在するが、ある程度は細胞膜にも存在する。^{[ 33 ]}膜への結合は、小胞へのカテコールアミンの充填とシナプス膜を通じた輸送に関連している可能性がある。^{[ 33 ]}チロシンヒドロキシラーゼの膜への結合には酵素のN末端領域が関与しており、14-3-3タンパク質、チロシンヒドロキシラーゼのN末端領域、および負に帯電した膜の間の3者間相互作用によって調節されている可能性がある。^{[ 34 ]}

チロシンヒドロキシラーゼは阻害によっても調節される。Ser40のリン酸化はカテコールアミンであるドーパミン、エピネフリン、ノルエピネフリンによるフィードバック阻害を解除する。^{[ 35 ] [ 36 ]}カテコールアミンは活性部位の鉄をFe(III)の状態で捕捉し、酵素を阻害する。^{[ 7 ]}

チロシンヒドロキシラーゼの発現はSRYの発現によって影響を受けることが示されている。黒質におけるSRY遺伝子のダウンレギュレーションは、チロシンヒドロキシラーゼの発現低下につながる可能性がある。^{[ 37 ]}

チロシンヒドロキシラーゼの長期調節は、リン酸化機構によっても媒介される。ホルモン（例：グルココルチコイド）、薬物（例：コカイン）、またはcAMPなどのセカンドメッセンジャーは、チロシンヒドロキシラーゼの転写を増加させる。リン酸化によるチロシンヒドロキシラーゼ活性の増加は、ニコチンによって最大48時間持続する可能性がある。^{[ 7 ] [ 38 ]}チロシンヒドロキシラーゼ活性は、タンパク質合成によって慢性的に（数日間）調節される。^{[ 38 ]}

チロシンヒドロキシラーゼ欠損症は、ドーパミン、エピネフリン、ノルエピネフリンの合成障害を引き起こします。進行性の脳症と予後不良が特徴です。臨床症状には、レボドパにほとんど反応しない、または全く反応しないジストニア、錐体外路症状、眼瞼下垂、縮瞳、起立性低血圧などがあります。これは進行性でしばしば致死的な疾患であり、レボドパによって改善することはできますが治癒することはできません。^{[ 39 ]}患者数が少なく、他の疾患と症状が重複するため、早期診断と治療は依然として困難です。^{[ 40 ]}治療への反応は様々で、長期的な機能的転帰は不明です。これらの疾患の疫学、遺伝子型/表現型の相関関係、転帰、患者の生活の質への影響、診断および治療戦略の評価に関する理解を深めるための基礎を提供するために、非営利の国際神経伝達物質関連疾患ワーキンググループ（iNTD）によって患者登録が設立されました。^{[ 41 ]}

さらに、チロシンヒドロキシラーゼ酵素活性の変化は、瀬川ジストニア、パーキンソン病、統合失調症などの疾患に関与している可能性がある。^{[ 21 ] [ 42 ]}チロシンヒドロキシラーゼは、14-3-3タンパク質へのリン酸化依存的結合によって活性化される。^{[ 34 ]} 14-3-3タンパク質は、アルツハイマー病、パーキンソン病、ハンチントン病などの神経変性疾患にも関連している可能性が高いため、チロシンヒドロキシラーゼとこれらの疾患との間に間接的な関連性がある。^{[ 43 ]}アルツハイマー病患者の脳におけるチロシンヒドロキシラーゼの活性は、健常者と比較して有意に低下していることが示されている。^{[ 44 ]}チロシンヒドロキシラーゼは、自己免疫性多腺性症候群（APS）I型における自己抗原でもある。^{[ 45 ]}

パーキンソン病の一貫した異常は、黒質のドーパミン作動性ニューロンの変性であり、線条体のドーパミンレベルの低下につながる。チロシンヒドロキシラーゼはドーパミン生合成の律速段階であるL -DOPAの生成を触媒するため、チロシンヒドロキシラーゼ欠損はパーキンソン病を引き起こさないが、通常は乳児パーキンソニズムを引き起こす。ただし、そのスペクトルはドーパミン反応性ジストニアに似た状態にまで及ぶ。チロシンヒドロキシラーゼはH2O2やその他の活性酸素種（ROS）の供給源であり、ラジカル媒介損傷の標的であるため、チロシンヒドロキシラーゼの直接的な病原性役割も示唆されている。L - DOPAは_{哺乳類のチロシン}ヒドロキシラーゼによって効果的に酸化されることが実証されており、 L -DOPAの細胞毒性効果に寄与している可能性がある。^{[ 7 ]}他の細胞タンパク質と同様に、チロシンヒドロキシラーゼもROSによって誘発される損傷変化の標的となる可能性がある。これは、チロシンヒドロキシラーゼへの酸化損傷の一部がチロシンヒドロキシラーゼシステム自体によって生成される可能性があることを示唆している。^{[ 7 ]}

チロシンヒドロキシラーゼは、α-メチル-パラ-チロシン（メチロシン）という薬剤によって阻害される。この阻害により、チロシンヒドロキシラーゼによって合成される前駆体L -DOPA（L -3,4-ジヒドロキシフェニルアラニン）が不足するため、脳内のドーパミンとノルエピネフリンが枯渇する可能性がある。この薬剤はめったに使用されず、うつ病を引き起こす可能性があるが、褐色細胞腫や難治性高血圧の治療に有用である。文献に記載されている古い阻害剤の例としては、ウデノン^{[ 46 ]}やアクアヤマイシン^{[ 47 ]}などがある。

• GeneReviews/NIH/NCBI/UWのチロシンヒドロキシラーゼ欠損症に関する項目（チロシンヒドロキシラーゼ欠損性ドーパ反応性ジストニアまたはセガワ症候群、および常染色体劣性乳児パーキンソニズムを含む）
• 米国国立医学図書館の医学主題見出し（MeSH）におけるチロシンヒドロキシラーゼ