2-スルファモイル酢酸合成酵素のアルテミシジン生合成における構造と機能の解析

学術的背景

スルホンアミド系抗生物質であるアルテミシジンおよびその類似化合物は、顕著な抗腫瘍および抗菌活性を持つため注目を集めています。これらの化合物の構造には、珍しいスルホンアミド側鎖が含まれており、この構造的特徴は薬物設計や医学的応用において重要な意味を持ちます。しかし、アルテミシジンおよびその類似化合物におけるスルホンアミド側鎖の構造-活性関係はまだ完全には解明されていません。この重要な構造の機能とその生合成メカニズムをさらに理解するために、研究者たちはアルテミシジン生合成経路における鍵となる酵素である2-スルファモイル酢酸合成酵素（SbzJ）を詳細に研究しました。

SbzJはアルデヒド脱水素酵素であり、2-スルファモイル酢酸アルデヒドを2-スルファモイル酢酸に変換する役割を担っています。これはスルホンアミド側鎖を生成するための重要なステップです。SbzJの機能はすでに確認されていますが、その基質特異性とスルホンアミド基の認識に関する構造的な基盤はまだ不明でした。そこで、本研究では生化学的特性評価と構造機能解析を通じて、SbzJの触媒メカニズムと基質認識特性を明らかにし、将来の酵素工学や新規生物活性化合物の開発に理論的基盤を提供することを目的としました。

論文の出典

本論文は、Takahiro Mori、Kosuke Sakurada、Takayoshi Awakawa、Haibin He、Richiro Ushimaru、およびIkuro Abeによって共同執筆されました。著者らは東京大学薬学研究科、東京大学イノベーティブ微生物学共同研究所、日本科学技術振興機構（JST）、および理化学研究所持続可能資源科学研究センターに所属しています。論文は2024年に「The Journal of Antibiotics」に掲載され、DOIは10.1038/s41429-024-00798-0です。

研究の流れと結果

1. SbzJの生化学的特性評価と基質特異性解析

研究ではまず、SbzJの基質特異性を体系的に分析するためにin vitro実験を行いました。実験結果から、SbzJは天然基質である2-スルファモイル酢酸アルデヒド（4）の酸化反応だけでなく、ブタナール（6）、2-エチルブタナール（7）、ベンズアルデヒド（8）、2-フェニルプロピオンアルデヒド（9）、シンナムアルデヒド（10）、および3-メチルチオブタナール（11）など、さまざまなアルデヒド類も基質として受け入れることが明らかになりました。これらの基質はSbzJによって対応するカルボン酸（12-17）に酸化されました。

定常状態動力学解析を通じて、研究者たちはSbzJが異なる基質に対してどの程度の触媒効率を示すかを定量化しました。その結果、SbzJは2-スルファモイル酢酸アルデヒドに対して高い触媒効率（kcat/Km = 6.2 × 10^4 s^-1 M^-1）を示し、これは既知のアルデヒド脱水素酵素と同等でした。さらに、SbzJはブタナールと3-メチルチオブタナールに対しても高い触媒効率を示し、脂肪族および小さな体積のアルデヒド類に対して優先的に作用することが示されました。

2. SbzJの結晶構造解析

SbzJの触媒メカニズムを解明するために、研究者たちはSbzJとNAD+の複合体の結晶構造を2.5 Åの分解能で解析しました。構造解析の結果、SbzJは典型的なアルデヒド脱水素酵素のフォールディングパターンを採用しており、NAD+結合ドメインとC末端の触媒ドメインを含んでいることが明らかになりました。NAD+は活性部位残基との水素結合ネットワークを介して結合しており、His431とGlu240が触媒残基Cys273と水分子を活性化するための重要な残基として特定されました。

分子ドッキングモデルを用いて、研究者たちはSbzJと基質2-スルファモイル酢酸アルデヒドの結合モードをさらにシミュレーションしました。モデルは、スルホンアミド基がTyr148、Ser272、およびGln425との水素結合を介して相互作用することを示し、SbzJが水素結合を介してスルホンアミド基を認識することを示唆しました。この発見は、SbzJの基質特異性の構造的基盤を提供するものです。

3. 変異実験による重要残基の機能検証

SbzJの活性部位残基の機能を検証するために、研究者たちは体系的な変異実験を行いました。その結果、触媒残基Cys273の変異（C273A）はSbzJの酸化活性を完全に失わせることが明らかになりました。さらに、Tyr148、Glu240、およびHis431の変異も酵素活性を著しく低下させ、これらの残基が基質認識と触媒プロセスにおいて重要な役割を果たしていることが示されました。特に、Tyr148はスルホンアミド基との水素結合を介して基質認識に重要な役割を果たしています。

4. 触媒メカニズムの推測

構造解析と変異実験の結果に基づいて、研究者たちはSbzJの触媒メカニズムを推測しました。まず、Cys273がHis431によって活性化され、アルデヒド基質を攻撃して共有結合したチオヘミアセタール中間体を形成します。その後、中間体のヒドリドがNAD+のニコチンアミド環に転移し、チオエステル酵素中間体とNADHが生成されます。最後に、His431とGlu240の助けを借りて水分子がチオエステル結合を攻撃し、カルボン酸産物を放出して遊離のCys273を再生します。

研究の結論と意義

本研究は、結晶構造解析、in vitro酵素実験、および変異解析を通じて、SbzJの触媒メカニズムと基質特異性を包括的に明らかにしました。研究では、SbzJが水素結合ネットワークを介してスルホンアミド基を認識し、重要な残基Tyr148、Glu240、およびHis431を利用して効率的な触媒反応を実現していることが示されました。これらの発見は、SbzJの機能理解を深めるだけでなく、将来の酵素工学や新規生物活性化合物の開発に重要な手がかりを提供します。

研究のハイライト

1. 広範な基質特異性：SbzJはさまざまなアルデヒド類の酸化反応を触媒し、広範な基質特異性を示します。
2. 構造的メカニズムの解明：結晶構造解析を通じて、SbzJがスルホンアミド基を認識する構造的基盤が明らかになりました。
3. 重要残基の特定：変異実験により、Tyr148、Glu240、およびHis431が触媒プロセスにおいて重要な役割を果たすことが確認されました。
4. 触媒メカニズムの推測：SbzJの触媒メカニズムが提案され、将来の酵素工学に理論的支援を提供します。

その他の価値ある情報

本研究の結晶構造データは、タンパク質データバンク（PDB）に登録されており、登録番号は9JU5です。また、本研究は文部科学省、新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）、および日本科学技術振興機構（JST）からの資金提供を受けています。

この研究を通じて、研究者たちはSbzJの触媒メカニズムを明らかにしただけでなく、スルホンアミド系抗生物質の生合成と酵素工学に新しい研究方向を提供しました。将来的には、SbzJの構造的特性に基づいて、より高い触媒効率や新規基質特異性を持つ酵素変異体を設計し、より潜在的な生物活性化合物を開発することが可能となるでしょう。