マウスの酸性マンマリーキチナーゼの配位子結合と pH 特異的な酵素活性の構造的特徴付け

核心概念

マウス酸性マンマリーキチナーゼ(mAMCase)は、酸性条件と中性条件の両方で機能するために、pH に応じて異なるメカニズムを使用する。

要約

本研究では、生化学的、構造的、計算モデリングアプローチを組み合わせて、mAMCase が酸性と中性の環境でどのように機能するかを調べた。

まず、広範な pH 範囲でのmAMCase活性を測定し、pH 2.0と pH 7.0に2つの最適活性ピークがあることを明らかにした。次に、mAMCase触媒ドメインとオリゴマーGlcNAcnの複合体の高分解能結晶構造を解いた。これにより、基質結合部位の複雑な配座異性が観察された。

さらに、分子動力学シミュレーションを行い、触媒残基Glu140が pH に応じて異なる機構で質子化されることを示唆した。

これらのデータから、mAMCaseは酸性条件と中性条件で異なる2つのメカニズムを使って基質を認識し、分解していることが明らかになった。この知見は、pH 調整可能な酵素バリアントの開発など、治療目的のためのAMCase改変に新しい機会を提供する。

統計

mAMCaseの触媒効率(kcat/KM)は、pH 2.0で最大となる。
結晶構造解析の結果、mAMCaseの活性部位には複数の結合モードを持つ基質が観察された。
分子動力学シミュレーションから、Asp138の向きが基質結合部位の占有率と相関することが示された。
触媒トリアドのpKa計算により、Asp136とGlu140の質子化状態がpHに依存して変化することが明らかになった。

引用

"mAMCaseは酸性条件(pH 2.0)と中性条件(pH 6.5)で最適活性を示す二峰性のプロファイルを持つ。"
"mAMCaseの活性部位には、様々な結合モードを持つ基質オリゴマーが観察された。"
"Asp138の向きの変化は、-2から+1の基質結合部位の占有率と強く相関する。"

抽出されたキーインサイト

Structural characterization of ligand binding and pH-specific enzymatic activity of mouse Acidic Mammalian Chitinase

by Diaz,R. E., ... 場所 www.biorxiv.org 06-03-2023

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.06.03.542675v3

深掘り質問

mAMCaseの二峰性の活性プロファイルは、他のAMCase相同体でも観察されるか?

mAMCaseの二峰性の活性プロファイルは、他のAMCase相同体でも観察される可能性がありますが、それぞれのAMCase相同体が異なるpH条件で最適な活性を示すことが知られています。例えば、ヒトAMCase（hAMCase）はpH 4.6で最大の活性を示し、その活性は酸性および塩基性のpHで急激に低下します。一方、マウスAMCase（mAMCase）はpH 2.0と7.0で二つの活性ピークを示すことが報告されています。このように、AMCase相同体間で活性プロファイルに違いがあることから、mAMCaseの二峰性活性プロファイルが他のAMCase相同体でも観察されるかは、相同体の進化や環境適応による違いによる可能性があります。

mAMCaseの酸性条件と中性条件での活性メカニズムの違いは、どのように進化的に獲得されたのか?

mAMCaseの酸性条件と中性条件での活性メカニズムの違いは、進化的な適応によって獲得されたと考えられます。mAMCaseは胃のような酸性環境と肺のような中性環境で活性を示す必要があるため、この二つの環境に適応するための機構が進化的に獲得されたと推測されます。mAMCaseが異なるpH条件で異なる活性を示すことから、酸性条件では異なる触媒メカニズムが働き、中性条件では別のメカニズムが働く可能性があります。このような進化的な適応によって、mAMCaseは異なる環境で効率的に機能することが可能となっています。

mAMCaseの触媒メカニズムを詳細に理解することで、どのような新しい酵素工学的応用が期待できるか?

mAMCaseの触媒メカニズムを詳細に理解することで、新しい酵素工学的応用が期待されます。例えば、mAMCaseのpH依存性活性プロファイルを理解し、その活性を調節できる酵素変異体を開発することが可能となります。特定の疾患や環境において最適な活性を持つ酵素を設計することで、治療薬の開発や環境浄化などの応用が可能となります。また、mAMCaseの触媒メカニズムを基にした新しい酵素工学的手法やバイオテクノロジーの開発も期待されます。これにより、環境や医療分野での革新的な応用が可能となるでしょう。